ALMA observa interacciones dinámicas de gas en incubadora de estrellas

3 julio, 2014

Un equipo de investigación japonés descubrió interacciones dinámicas del gas presente en regiones incubadoras de estrellas usando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Esta sorprendente observación pone en tela de juicio la creencia de que el proceso de formación de estrellas se debe a la lenta contracción de las nubes de gas.

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Simulación numérica de un proceso de formación estelar múltiple con turbulencia. Las estrellas recién nacidas describen complejos movimientos y su efecto se propaga en el entorno con forma de ondas que producen una estructura de gas extendida semejante a un arco. Créditos: Tomoaki Matsumoto (Universidad de Hosei)

El equipo, encabezado por Kazuki Tokuda y Toshikazu Onishi, de la Universidad de la Prefectura de Osaka, observó una nube de gas de alta densidad llamada MC27/L1521F, en la constelación de Tauro. Estudios anteriores habían confirmado que MC27 era una estrella recién nacida, y las recientes observaciones con ALMA revelaron un nuevo núcleo de alta densidad sin estrellas —considerado muy cercano a la etapa inicial de un proceso de formación estelar— contiguo a la estrella recién nacida. El equipo de investigación también detectó una nube extendida de gas alrededor de MC27 que parece haber sido formada por una interacción gravitacional dinámica de dos o más núcleos de gas. Estas características cinemáticas recién descubiertas serán claves para comprender los procesos de formación estelar a partir de nubes de gas.

Las estrellas se forman en los núcleos de nubes moleculares compuestas de polvo y gas que tienen varias masas solares con tamaños de hasta 0,1 años-luz. Es sabido que las protoestrellas o estrellas recién nacidas se forman en los núcleos de las nubes moleculares a medida que aumenta la densidad de polvo y gas, pero aún no se conoce a cabalidad la distribución del polvo y el gas que circundan las protoestrellas o su distribución y características cinemáticas al momento del nacimiento de las protoestrellas.

Para dilucidar estos misterios hay que realizar una investigación minuciosa del entorno donde nacen las protoestrellas apenas éstas se forman o bien observar los núcleos de las nubes moleculares de alta densidad al principio del proceso de formación de una protoestrella. El equipo de investigación encabezado por Kazuki Tokuda, quien cursa un posgrado en la Universidad de la Prefectura de Osaka, y Toshikazu Onishi, profesor de dicha institución, usó ALMA para observar el núcleo de la nube molecular MC27 (situada a cerca de 450 años-luz de la Tierra en dirección de la constelación de Tauro), que contiene una joven protoestrella. Las observaciones realizadas anteriormente con el telescopio de 45 metros del Radio Observatorio Nobeyama, perteneciente al Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ, en su sigla en inglés), habían revelado que MC27 era una nube molecular con un núcleo de altísima densidad. Asimismo, el telescopio espacial Spitzer de la NASA había descubierto una protoestrella de muy baja luminosidad oculta en el centro de la nube molecular. El equipo de investigación llevó a cabo observaciones detalladas de emisiones continuas de polvo en el centro de MC27 y de líneas moleculares de HCO+ del gas de alta densidad para estudiar las propiedades del gas y el polvo justo después del nacimiento de una protoestrella, aprovechando la alta sensibilidad y capacidad de resolución de ALMA.

Los resultados obtenidos superaron con creces las expectativas de los investigadores, quienes descubrieron que en el centro de la nube MC27 no solo hay gas que rodea la protoestrella, sino también dos condensaciones de gas de alta densidad (figura 1). Una de las condensaciones de gas, MMS-2, situada a 200 UA de la protoestrella [1] es el núcleo de la nube molecular de mayor densidad (con decenas de millones de moléculas de gas por centímetro cúbico) descubierto a la fecha en zonas de formación estelar de baja masa. El equipo de investigación cree que MMS-2 se encuentra en una etapa muy cercana al nacimiento de una protoestrella.

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Fig. 1: Imagen compuesta en colores: observaciones de emisión continua de polvo (verde) y emisión de gas de alta densidad (rojo) y observaciones del telescopio Spitzer de emisión infrarroja (azul). La imagen en infrarrojo muestra solo la protoestrella central, mientras que los resultados observacionales de ALMA muestran núcleos de nubes moleculares de alta densidad y una nube de gas extendida. Créditos: Kazuki Tokuda (Osaka Prefecture University) / ALMA(ESO/NAOJ/NRAO) / NASA / JPL-Caltech

Las protoestrellas recién nacidas suelen estar rodeadas de una gran cantidad de polvo y gas que es atraída por la fuerza de gravedad de la creciente protoestrella. Como la materia interestelar que rodea las protoestrellas es absorbida por ellas o expulsada en un período de cientos de miles de años luego de su nacimiento [2], es difícil estudiar las condiciones del gas y del polvo presentes al momento del nacimiento de una protoestrella. Según afirma Kazuki Tokuda, “Fue muy alentador observar la condensación de gas incubador justo al lado de la protoestrella. Podría decirse que somos testigos de la actividad del gas en el momento mismo de la formación de una estrella. Seguiremos estudiando los mecanismos de formación de estrellas para entenderlos mejor”.

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Fig. 2: Ilustración del centro del núcleo de la nube molecular MC27 basada en los resultados de observación de ALMA. Créditos: NAOJ

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Fig. 3: Ilustración y descripción del centro del núcleo de la nube molecular MC27 basada en los resultados de observación de ALMA. Créditos: NAOJ

Otro hallazgo de estas observaciones fue un chorro de gas expulsado por la protoestrella, siendo este más pequeño que los chorros observados hasta ahora alrededor de otras protoestrellas. A juzgar por sus dimensiones y su velocidad, el chorro de esta protoestrella debería de haberse producido entre varios decenios y unos doscientos años atrás, lo que permite suponer que se trata de una protoestrella muy joven. ALMA observó el lugar donde una estrella recién nacida y un “huevo” de estrella crecen juntos.

Un sorprendente descubrimiento es la presencia de una nube extendida de gas que parece ser una cola de MMS-2. La nube tiene una extensión de 2000 UA y su velocidad difiere levemente de la del núcleo de la nube molecular. “Se cree que esta estructura alargada se forma por una interacción gravitacional fuerte entre los núcleos de las nubes moleculares moviéndose con gran rapidez”, indica Shu-ichiro Inutsuka, profesor de la Universidad de Nagoya y uno de los investigadores del equipo. En física, la turbulencia se refiere a un estado en el que el flujo de gas se mueve de manera caótica. Cuando se produce una turbulencia con remolinos, las nubes de gas se fragmentan y forman nubes más pequeñas. Éstas se mueven en forma permanente y se atraen mutuamente por efecto de sus fuerzas de gravedad, propagándose en forma de onda y generando una estructura de gas extendida semejante a un arco.

Según el equipo de investigación, la estructura de gas extendida de MC27 se explica por estos movimientos dinámicos del gas. Tomoaki Matsumoto, profesor de la Universidad de Hosei y miembro del equipo de investigación, hizo simulaciones numéricas de nubes de gas sometidas a fuertes turbulencias. El estudio reveló que las pequeñas nubes de gas pueden formar estrellas en su interior mientras giran unas alrededor de otras y se convierten en un sistema estelar múltiple con diversas órbitas. Estos resultados pueden interpretarse como la etapa inicial de un proceso de formación estelar múltiple.

Según explica Toshikazu Onishi, miembro del equipo de investigación, “Primero obtuvimos datos observacionales de MMS-2 -una nube extendida de gas- y de un chorro de gas en etapa muy temprana, usando ALMA. Estos resultados contribuirán considerablemente para el desarrollo de una teoría de formación estelar múltiple. Esperamos avanzar mucho en la comprensión del proceso y los mecanismos de formación estelar con ulteriores observaciones detalladas de MC27 y otros núcleos de nubes moleculares gracias a ALMA”.

Notas

[1] Unidad Astronómica (UA): unidad de distancia basada en la distancia promedio entre la Tierra y el Sol; 1 UA equivale a cerca de 150 millones de kilómetros. Neptuno, el planeta más lejano de nuestro Sistema Solar, tiene una órbita con un radio de aproximadamente 30 UA.

[2] Las estrellas de una masa solar viven cerca de 10.000 millones de años. Su período como protoestrella es de cientos de miles de años, lo que equivaldría a un día en una escala humana de 100 años. En otras palabras, una protoestrella tiene la edad equivalente a la de un bebé recién nacido.

Información Adicional

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 EE.UU. (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 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.

Los resultados de esta observación fueron publicados en la revista The Astrophysical Journal Letters el 11 de junio de 2014 bajo el título “Observaciones con ALMA de un núcleo de alta densidad en Tauro: interacción dinámica de gas en un posible sitio de formación estelar múltiple”, de Tokuda et al.

Los miembros del equipo de investigación son: Kazuki Tokuda (estudiante de posgrado de la Universidad de la Prefectura de Osaka) Toshikazu Onishi (profesor de la Universidad de la Prefectura de Osaka) Kazuya Saigo (profesor asistente de proyecto del Observatorio Astronómico Nacional de Japón) Akiko Kawamura (profesor asistente de proyecto del Observatorio Astronómico Nacional de Japón) Yasuo Fukui (profesor de la Universidad de Nagoya) Tomoaki Matsumoto (profesor de la Universidad de Hosei) Shu-ichiro Inutsuka (profesor de la Universidad de Nagoya) Masahiro Machida (profesor asociado de la Universidad de Kyushu) Kengo Tomida (investigador asociado de la Sociedad Japonesa para el Fomento de la Ciencia, Universidad de Princeton / Universidad de Tokio) Kengo Tachihara (profesor asociado de la Universidad de Nagoya).

La presente investigación fue financiada con becas de la Sociedad Japonesa para el Fomento de la Ciencia (22244014, 23403001 y 23540270).

Contacto:

Toshikazu Onishi 
Profesor, Universidad de la Prefectura de Osaka
Tel: +81- 72-254-9727
Email: ohnishi@p.s.osakafu-u.ac.jp

Valeria Foncea 
Directora de Comunicaciones y Educación
Observatorio ALMA
Santiago, Chile
Tel: +56 2 2467 6258
Cel: +56 9 7587 1963
Correo electrónico: vfoncea@alma.cl 

Masaaki Hiramatsu
Encargado de Educación y Extensión, NAOJ Chile
Observatorio de Tokio, Japón
Tel: +81 422 34 3630
Correo electrónico: hiramatsu.masaaki@nao.ac.jp 

Charles E. Blue 
Encargado de Comunicaciones
Observatorio Nacional de Radio Astronomía
Charlottesville VA, EE.UU.
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Encargado de Prensa, ESO
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