ALMA descubre un trío de planetas jóvenes alrededor de una estrella recién nacida

12 junio, 2018

Artículo Científico

Dos equipos independientes de astrónomos han utilizado el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para obtener pruebas convincentes de que hay tres jóvenes planetas orbitando alrededor de la estrella HD 163296. Usando una nueva técnica de búsqueda de planetas, los astrónomos identificaron tres perturbaciones en el disco de gas que hay alrededor de la joven estrella: se trata de la evidencia más fuerte hallada hasta el momento de que está siendo orbitada por tres planetas recién formados. Son considerados los primeros planetas descubiertos con ALMA.

ALMA ha transformado nuestra comprensión de los discos protoplanetarios, las fábricas de planetas cargadas de polvo y gas que rodean a estrellas jóvenes. Los anillos y los huecos de estos discos proporcionan interesantes indicios de la presencia de protoplanetas [1]. Sin embargo, otros fenómenos también podrían explicar estas características.

Esta imagen de amplio campo muestra los alrededores de la joven estrella HD 163296 en la rica constelación de Sagitario (el arquero). Esta fotografía fue creada a partir de imágenes que forman parte del sondeo Digitized Sky Survey 2. HD 163296 es la estrella azulada brillante del centro. Crédito: ESO/Digitized Sky Survey 2; Acknowledgement: Davide De Martin

Esta imagen de amplio campo muestra los alrededores de la joven estrella HD 163296 en la rica constelación de Sagitario (el arquero). Esta fotografía fue creada a partir de imágenes que forman parte del sondeo Digitized Sky Survey 2. HD 163296 es la estrella azulada brillante del centro. Crédito: ESO/Digitized Sky Survey 2; Agradecimientos a Davide De Martin

Pero ahora, usando una nueva técnica de búsqueda de planetas, que identifica patrones inusuales en el flujo de gas dentro de un disco de formación de planetas alrededor de una estrella joven, dos equipos de astrónomos han confirmado, de manera independiente, la existencia de diferentes características distintivas que señalan la presencia de planetas recién formados orbitando a una estrella muy joven [2].

Medir el flujo de gas dentro de un disco protoplanetario nos proporciona mucha más seguridad sobre la presencia de planetas alrededor de una estrella joven”, afirma Christophe Pinte, de la Universidad de Monash (Australia) y autor principal de uno de los dos artículos. “Esta técnica ofrece una prometedora nueva vía para comprender cómo se forman los sistemas planetarios”.

Este gráfico muestra la rica constelación de Sagitario (el arquero) y marca la posición de la estrella HD 163296. Esta estrella tiene dos veces la masa del sol, pero solo tiene 4 millones de años. Es demasiado débil para verla a ojo desnudo, pero puede observarse fácilmente con binoculares, y no se encuentra lejos de las famosas nebulosa Trífida y nebulosa de la Laguna. Crédito: ESO, IAU and Sky & Telescope

Este gráfico muestra la rica constelación de Sagitario (el arquero) y marca la posición de la estrella HD 163296. Esta estrella tiene dos veces la masa del Sol, pero solo tiene 4 millones de años. Es demasiado débil para verla a ojo desnudo, pero puede observarse fácilmente con binoculares, y no se encuentra lejos de las famosas nebulosa Trífida y nebulosa de la Laguna. Crédito: ESO, IAU and Sky & Telescope

Para hacer sus respectivos descubrimientos, cada equipo analizó observaciones de ALMA de HD 163296, una joven estrella situada a unos 330 años luz de la Tierra, en la constelación de Sagitario (el arquero) [3].

Esta estrella tiene casi dos veces la masa del Sol, pero solo 4 millones de años de edad (una milésima parte de la edad del Sol).

Analizamos el movimiento localizado a pequeña escala del gas en los discos protoplanetarios de la estrella. Este nuevo enfoque podría descubrir algunos de los planetas más pequeños de nuestra galaxia, todo gracias a las imágenes de alta resolución de ALMA”, dijo Richard Teague,  astrónomo de la Universidad de Michigan y autor principal del segundo artículo.

Nuestro Sistema Solar se formó a partir de una enorme nube primordial de gas y polvo. Gran parte de esa nube formó el Sol, mientras que el disco sobrante de material en rotación alrededor de él, se unió, formando finalmente los planetas que lo orbitan y que hoy conocemos (incluido el planeta en el que vivimos). Los astrónomos pueden observar procesos similares que tienen lugar alrededor de otras estrellas. Esta espléndida imagen de la semana muestra un disco en rotación de material sobrante alrededor de la joven estrella HD 163296. Usando las capacidades de observación de ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), en Chile, los astrónomos han podido discernir características específicas en el disco, incluyendo los anillos concéntricos de material que rodean a la estrella central. Gracias a ALMA, fueron incluso capaces de obtener medidas de alta resolución de los componentes de gas y polvo del disco. Con estos datos han podido inferir detalles clave de la historia de la formación de este joven sistema estelar. Las tres brechas que hay entre los anillos se deben, probablemente, a una disminución en la cantidad de polvo y, tanto en el hueco central como en el exterior, los astrónomos también encontraron niveles de gas inferiores. La menor cantidad de polvo y gas sugiere la presencia de planetas recién formados, cada uno de una masa similar a la de Saturno, esculpiendo estas brechas en sus nuevas órbitas. Crédito: ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); A. Isella; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Las brechas que hay entre los anillos se deben, probablemente, a una disminución en la cantidad de polvo y, tanto en el hueco central como en el exterior, los astrónomos también encontraron niveles de gas inferiores. La menor cantidad de polvo y gas sugiere la presencia de planetas recién formados, cada uno de una masa similar a la de Saturno, esculpiendo estas brechas en sus nuevas órbitas. Crédito: ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); A. Isella; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

En lugar de centrarse en el polvo del interior del disco, del cual se obtuvieron imágenes muy definidas gracias a observaciones anteriores de ALMA, los astrónomos estudiaron el gas de monóxido de carbono (CO) repartido por el disco. Las moléculas de CO emiten una luz muy peculiar en la longitud de onda milimétrica, un rango que ALMA puede observar con gran detalle. Sutiles cambios en la longitud de onda de esta luz debido al efecto Doppler revelaron los movimientos del gas en el disco.

El equipo dirigido por Teague identificó dos planetas situados aproximadamente a 14.900 millones y 24.700 millones de kilómetros de la estrella. El otro equipo, liderado por Pinte, identificó un planeta a aproximadamente 39.000 millones de kilómetros de la estrella [4].

Los dos equipos utilizaron variantes de la misma técnica, que busca anomalías en el flujo del gas (según revelan los cambios en las longitudes de onda de la emisión de CO), lo cual indica que el gas está interactuando con un objeto masivo [5].

ALMA ha proporcionado evidencias convincentes de que hay tres jóvenes planetas orbitando alrededor de la estrella HD 163296. Usando una nueva técnica de búsqueda de planetas, los astrónomos identificaron tres perturbaciones en el disco de gas que hay alrededor de la joven estrella: se trata de la evidencia más fuerte hallada hasta el momento de que está siendo orbitada por tres planetas recién formados. Son considerados los primeros planetas descubiertos con ALMA. Esta imagen muestra parte del conjunto de datos de ALMA en una longitud de onda y revela un claro "estrechamiento" en el material, que indica claramente la presencia de uno de los planetas. El lugar donde se predice la ubicación del planeta está marcado con un punto azul. Crédito: ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); Pinte et al.

Esta imagen muestra parte del conjunto de datos de ALMA en una longitud de onda y revela un claro “estrechamiento” en el material, que indica claramente la presencia de uno de los planetas. El lugar donde se predice la ubicación del planeta está marcado con un punto azul. Crédito: ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); Pinte et al.

La técnica utilizada por Teague, que derivó variaciones promedio en el flujo de gas muy  pequeñas (un pequeño porcentaje), reveló el impacto de varios planetas en los movimientos de gas cerca de la estrella. La técnica utilizada por Pinte [6], que mide el flujo del gas de forma más directa, se adapta mejor al estudio de la parte externa del disco. Permitió a los autores localizar con mayor precisión el tercer planeta, pero se limita a grandes desviaciones del flujo, mayores que un 10%.

En ambos casos, los investigadores identificaron las áreas donde el flujo del gas no coincide con su entorno, algo parecido a los remolinos que se forman alrededor de una roca en un río. Analizando cuidadosamente ese movimiento, podían ver claramente la influencia de cuerpos planetarios con masas similares a la de Júpiter.

“El nivel de precisión es impresionante”, celebra el coautor Til Birnstiel, del University Observatory Munich. En un sistema donde el gas gira a unos 5 kilómetros por segundo, ALMA detectó cambios de velocidad de tan solo algunos metros por segundo. “Esto nos permite encontrar diminutas diferencias con respecto a la rotación normal esperada en un disco”, explica Teague. Los planetas cambian la densidad del gas cerca de sus órbitas, lo que altera la presión del gas y provoca estos cambios de velocidad.

Esta nueva técnica permite a los astrónomos hacer una estimación más precisa de las masas protoplanetarias y es menos probable obtener falsos positivos. “Estamos poniendo a ALMA en la vanguardia del campo de la detección de planetas”, afirma el coautor Ted Bergin, de la Universidad de Michigan.

“Muchas veces, en la ciencia, las ideas resultan ser equivocadas y las suposiciones se desmienten. Este es uno de esos casos donde los resultados son mucho más alentadores de lo que me había imaginado”, comenta Birnstiel.

Ambos equipos seguirán refinando este método y lo aplicarán en otros discos, donde esperan entender mejor cómo se forman las atmósferas y qué elementos y moléculas participan en el proceso de nacimiento de un planeta.

Zooming in on the young star HD 163296 from ALMA Observatory on Vimeo.

Notas

[1] Aunque se han descubierto miles de exoplanetas en las últimas dos décadas, la detección de protoplanetas se mantiene a la vanguardia de la ciencia y no ha habido detecciones claras hasta ahora. Las técnicas utilizadas actualmente para encontrar exoplanetas en sistemas planetarios completamente formados (como medir el bamboleo de una estrella o la atenuación de la luz de las estrellas debido a un planeta en tránsito) no se prestan a la detección de protoplanetas.

[2] El movimiento del gas alrededor de una estrella en ausencia de planetas tiene un patrón muy simple y predecible (rotación Kepleriana) que es casi imposible de alterar tanto local como coherentemente, por lo que sólo la presencia de un objeto relativamente masivo puede crear tales perturbaciones.

[3] Las impresionantes imágenes de ALMA de HD 163296 y de otros sistemas similares han revelado interesantes patrones de anillos concéntricos y de huecos dentro de los discos protoplanetarios. Estos huecos pueden ser evidencia de que los protoplanetas están socavando y expulsando el polvo y el gas de sus órbitas, e incorporándolo parcialmente a sus propias atmósferas. Un estudio previo del disco de esta estrella en particular muestra que los huecos en el polvo y el gas se superponen, lo que sugiere que en esa zona se han formado al menos dos planetas.

Sin embargo, estas observaciones iniciales sólo proporcionaron indicios y no han podido utilizarse para estimar con precisión las masas de los planetas.

[4] Esto equivale a 100, 165 y 260 veces la distancia entre la Tierra y el Sol.

[5] Esta técnica es similar a la que condujo al descubrimiento del planeta Neptuno en el siglo XIX. En ese caso, se detectaron anomalías en el movimiento del planeta Urano debidas al efecto gravitatorio de un cuerpo desconocido, que posteriormente, en 1846, fue descubierto visualmente y resultó ser el octavo planeta del Sistema Solar.

[6] El método utilizado por el equipo de Pinte para determinar la presencia del planeta se basa en un estudio titulado ‘Planet formation signposts: observability of circumplanetary disks via gas kinematics’ [Indicadores de formación planetaria: observabilidad de discos circumplanetarios a través de la cinética de gases], por Perez et al. publicado en ApJL, en 2015.

Información adicional

Este trabajo de investigación se ha presentado en dos artículos científicos que aparecen en la misma edición de la revista Astrophysical Journal Letters. El primero tiene como título “Kinematic evidence for an embedded protoplanet in a circumstellar disc”, por C. Pinte et al. y el segundo “A Kinematic Detection of Two Unseen Jupiter Mass Embedded Protoplanets”, por R. Teague et al.

El equipo de Pinte está formado por: C. Pinte (Universidad de Monash, Clayton, Victoria, Australia; Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Francia); D. J. Price (Universidad de Monash, Clayton, Victoria, Australia); F. Ménard (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Francia); G. Duchêne (Universidad de California, Berkeley California, EE.UU.; Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Francia); W.R.F. Dent (Observatorio Conjunto ALMA Observatory, Santiago, Chile); T. Hill (Observatorio Conjunto ALMA, Santiago, Chile); I. de Gregorio-Monsalvo (Observatorio Conjunto ALMA, Santiago, Chile); A. Hales (Observatorio Conjunto ALMA, Santiago, Chile; Observatorio Nacional de Radioastronomía, Charlottesville, Virginia, EE.UU.) y D. Mentiplay (Universidad de Monash, Clayton, Victoria, Australia).

El equipo de Teague está compuesto por: Richard D. Teague (Universidad de Michigan, Ann Arbor, Michigan, EE.UU.); Jaehan Bae (Departamento de Magnetismo Terrestre, Institución Carnegie para la Ciencia, Washington, DC, EE.UU.); Edwin A. Bergin (Universidad de Michigan, Ann Arbor, Michigan, EE.UU.); Tilman Birnstiel (Observatorio de la Universidad, Universidad de Múnich Ludwig Maximilian, Múnich, Alemania) y Daniel Foreman- Mackey (Centro de Astrofísica Computacional, Instituto Flatiron, Nueva York, EE.UU.).

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.