ALMA descubre una nueva herramienta para estudiar las estrellas recién formadas

23 octubre, 2012

Antecedentes

Aunque se cree que las estrellas se forman a partir de una contracción de gas interestelar, todavía quedan muchos misterios por resolver. Por ejemplo, los astrónomos no tienen una respuesta clara a la hora de explicar cómo se forman las estrellas masivas, o si los procesos de formación de este tipo de estrellas son idénticos a los de las estrellas de baja masa. Esto se debe en parte a que las estrellas masivas se forman lejos del Sistema Solar y es difícil estudiar los alrededores de las estrellas masivas recién formadas con una resolución suficiente.

Uno de los objetos más usados para estudiar la formación de las estrellas masivas es Orión KL, en la nebulosa de Orión, que emite una intensa luz infrarroja. Orión KL es el objeto más cercano al Sistema Solar (se ubica a cerca de 1.400 años-luz) donde se forman estrellas que tienen ocho o más veces la masa del Sol. Desde que se descubrió, en 1967, este objeto ha sido observado por muchos astrónomos.

El origen del estudio

Un grupo de investigación encabezado por Tomoya Hirota, profesor asistente del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ, en su sigla en inglés), ha realizado observaciones de alta resolución del agua y los máseres (fuertes emisiones de radio similares al láser) presentes en Orión KL utilizando la red de radiotelescopios VERA de NAOJ. [1]

En Orión KL se encuentra “Fuente I” una joven estrella muy particular de la que todavía no se obtiene una imagen detallada. En  “Fuente I”, se detectaron máseres de monóxido de silicio (SiO), lo que constituye un hallazgo excepcional pues solo se habían detectado máseres en tres fuentes que no fueran estrellas antiguas, incluida  “Fuente I”. Considerando que los máseres de SiO suelen encontrarse en gases muy calientes que rodean las estrellas viejas, el grupo de investigación planteó la hipótesis de que alrededor de Orión KL había otras líneas moleculares similares a las que provienen del gas interestelar caliente típico de las estrellas más viejas. Para ello, se concentraron en los máseres de agua con altos niveles de energía (high-energy water maser emission) (longitud de onda de 1,3 mm y frecuencia de 232 GHz) emanados de gas muy caliente, con una temperatura de 3.200 oC. Con radiotelescopios de 10 metros no se podía detectar esta línea en Orión, pero ALMA podría lograrlo gracias a su sensibilidad y resolución sin precedentes. Para evaluar la viabilidad de esta tarea, el grupo de investigación comenzó por reducir los datos de verificación científica de ALMA sobre Orión KL. [2]

Los datos obtenidos con ALMA

Las observaciones de Orión KL se llevaron a cabo el 20 de enero de 2012 con 16 antenas de ALMA. Los investigadores analizaron los datos en la frecuencia de 232 GHz en busca de los máseres de agua. Mediante este análisis, encontraron una clara emisión de radio en los 232 GHz que coincide con la frecuencia de máser de agua con altos niveles de energía. Se trata de la primera vez que se detectan emisiones de radio de alta energía en regiones de formación estelar. Tras un análisis riguroso de los datos y de la base de datos de líneas moleculares, los investigadores descubrieron que muy cerca de los máseres de agua había una emisión de moléculas de formiato de metilo (HCOOCH3).

“Con un telescopio de una sola antena no se pueden distinguir las emisiones de agua y de formiato de metilo, por lo que es muy difícil extraer información nueva de una observación de este tipo. Sin embargo, gracias a la alta resolución de las observaciones de ALMA, ahora es posible conocer la posición de las emisiones más intensas de líneas moleculares, y podemos estudiarlas en detalle”, afirma Hirota. Estas investigaciones revelaron que los máseres de agua y las emisiones de líneas de formiato de metilo provienen de partes diferentes de Orión KL. En efecto, se detectó una fuerte presencia de máseres de agua alrededor de la “Fuente I”, y se ha comprobado que provienen del gas presente a alta temperatura alrededor de ésta. Es la primera vez que se detectan máseres de agua con altos niveles de energía en regiones de formación estelar.

¿Cuál es, pues, la fuente exacta de esta emisión de agua con alto nivel de energía de la  “Fuente I”? El máser de SiO detectado con la red VERA y el máser de agua con bajos niveles de energía nos dan una pista. Al comparar esas emisiones de máseres detectadas por otros telescopios y las emisiones de máseres de agua detectadas con ALMA, se descubrió que tienen velocidades idénticas. Así, los astrónomos sostienen que los máseres de SiO son emitidos por el disco de gas que rodea a la  “Fuente I” ”, mientras que los máseres de agua con bajos niveles de energía provienen del chorro de alta velocidad emanado del eje del disco de gas. De esto se infiere que las emisiones de agua con altos niveles de energía detectadas por ALMA también provienen del disco o del chorro presentes alrededor de la “Fuente I”.

Perspectivas

“Gracias a la alta sensibilidad y resolución espacial de ALMA, logramos detectar la emisión de máseres de agua con altos niveles de energía en una longitud de onda milimétrica proveniente de la joven estrella ‘Fuente I’ de Orión KL —señala Hirota—. Se usaron apenas 16 antenas con la línea de base máxima de 350 metros durante esta observación de verificación científica, y se necesitaron tan solo 20 minutos para detectar estos débiles máseres de agua. Con ALMA tenemos una nueva herramienta para explorar las zonas aledañas al gas presente a alta temperatura alrededor de estrellas jóvenes.”

Una vez terminado, ALMA contará con 66 antenas y una línea de base máxima de más de 14 kilómetros, con lo que se logrará una resolución espacial 50 veces superior a las de esta observación. Con estos datos de verificación científica, los máseres de agua tienen el aspecto de un punto, y es imposible estudiar su estructura interna. Al combinar los máseres de SiO observados con la red VERA y las emisiones milimétricas y submilimétricas detectadas por ALMA a alta resolución, los investigadores esperan estudiar en detalle el disco de gas y el chorro de alta velocidad que circundan la  “Fuente I”. Orión KL es uno de los objetos más misteriosos que se conocen desde que se descubrió hace 50 años. Se espera que las observaciones de alta resolución hechas con ALMA permitan revelar las características de Orión KL y lograr una comprensión exhaustiva de la formación de estrellas masivas.

Notes

[1] VERA (VLBI Exploration of Radio Astrometry) es una red de cuatro radiotelescopios de 20 metros ubicados en Japón (Mizusawa, Iriki, Ogasawara e Ishigaki;  ver enlace). El principal objetivo del proyecto VERA es elaborar un mapa detallado de nuestra Vía Láctea midiendo con precisión la posición de numerosos objetos celestes. Para poder medir las distancias de estos objetos, se ha observado una serie de máseres. La red VERA midió la distancia exacta hasta Orión KL.

[2] El objetivo de la observación de verificación científica es comprobar la capacidad de observación de ALMA y la calidad de los datos obtenidos. Para estas observaciones se seleccionan objetos ampliamente observados con los telescopios existentes a fin de hacer las comparaciones necesarias. El personal del observatorio ALMA realizó las observaciones y los análisis básicos con los datos recabados, y la información procesada está disponible para el público en Internet de manera que los astrónomos puedan usarlos en sus investigaciones.

Agradecimientos

Este estudio es copatrocinado por JSPS Grant-in-Aid for Young Scientists (A) (24684011).

Información adicional

Esta investigación está consignada en el artículo The first detection of the 232 GHz vibrationally excited H2O maser in Orion KL with ALMA, de Hirota et al., publicado en The Astrophysical Journal Letters 757, L1.

El equipo de investigación está constituido por T. Hirota, M.-K. Kim y M. Honma (Observatorio VLBI Mizusawa, NAOJ).

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre Europa, Norteamérica y Asia del Este en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado en Europa por la Organización Europea para la Investigación Astronómica en el Hemisferio Austral (ESO), en Norteamérica por la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF por su sigla en inglés) en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC por su sigla en inglés) y el Consejo Nacional de Ciencia de Taiwán (NSC por su sigla en inglés) y en Asia del Este por los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS por su sigla en inglés) de Japón en cooperación con la Academia Sinica (AS) en Taiwán. La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas a nombre de Europa por ESO, a nombre de Norteamérica por el Observatorio Radio Astronómico Nacional (NRAO), que es operado por Associated Universities, Inc. (AUI), y a nombre de Asia del Este por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ). El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, como también la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

Contactos:

Tomoya Hirota
Profesor Asistente,
Observatorio VLBI Mizusawa,
Observatorio Astronómico Nacional de Japón
Tel: +81 422 34 3645
E-mail: tomoya.hirota@nao.ac.jp

Valeria Foncea
Education and Public Outreach Deputy Officer,
Joint ALMA Observatory
Santiago, Chile
Tel: +56 2 2467 6258
Email: vfoncea@alma.cl

Masaaki Hiramatsu 
Profesor Asistente, Education and Public Outreach Officer, NAOJ Chile
Observatorio Astronómico Nacional de Japón
Tel: +81 422 34 3630
E-mail: hiramatsu.masaaki@nao.ac.jp

Douglas Pierce-Price 
Public Information Officer, ESO
Garching bei München, Germany
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John Stoke 
Director asistente – Education & Public Outreach
Observatorio Radioastronómico Nacional
Charlottesville VA, EE.UU.
Tel: +1 434 244 6896
Email: jstoke@nrao.edu