“Trampa de polvo” alrededor de una estrella distante podría resolver el misterio de la formación de planetas.

6 junio, 2013

Gracias a ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) un equipo de astrónomos ha conseguido obtener una imagen de la región que rodea a una joven estrella en la que las partículas de polvo pueden crecer por acumulación. Es la primera vez que una “trampa de polvo” como ésta ha sido claramente observada y modelada. De esta forma se solucionaría el eterno misterio sobre cómo crecen las partículas de polvo en los discos, hasta finalmente, poder formar cometas, planetas y otros cuerpos rocosos. Los resultados se publicaron en la revista Science.

Los astrónomos saben que hay numerosos planetas alrededor de otras estrellas, pero hay muchos aspectos de la formación de los cometas, planetas y otros cuerpos rocosos que siguen siendo un misterio. Sin embargo, utilizando el gran potencial de ALMA, se han llevado a cabo nuevas observaciones que dan ahora respuesta a la gran pregunta: ¿cómo pueden crecer los diminutos granos de polvo del disco que rodea a estrellas jóvenes y hacerse cada vez más grandes hasta convertirse incluso en enormes rocas?

Las simulaciones sugieren que los granos de polvo crecen tras chocar y quedarse pegados entre ellos. Sin embargo, cuando estos granos polvo, ya de mayor tamaño, chocan de nuevo a grandes velocidades, por lo general se rompen en pedazos. Incluso cuando esto no ocurre, las simulaciones muestran que los granos de mayor tamaño se mueven rápidamente hacia el interior debido a la fricción entre el polvo y el gas y son arrastrados hacia su estrella, sin darles la oportunidad de seguir creciendo.

De algún modo, el polvo necesita un refugio seguro en el que las partículas puedan seguir creciendo hasta que sean lo suficientemente grandes como para sobrevivir por sí solas [1]. Para superar este complicado tamaño límite, los astrónomos han establecido teorías acerca de remolinos turbulentos en el disco que pueden crear trampas de polvo, o sea regiones que permiten a las partículas de polvo seguir juntas, y eventualmente convertirse en la base para la formación de objetos más y más grandes. Pero hasta el momento no había pruebas de ello.

Nienke van der Marel, estudiante de doctorado de la Universidad de Leiden, en los Países Bajos, y autora principal del artículo, utilizó ALMA para estudiar junto con sus colaboradores el disco en un sistema llamado Oph-IRS 48 [2]. Descubrieron que la estrella de ese sistema estaba circundada por un anillo de gas con un hueco central, probablemente creado por un planeta escondido o una estrella compañera. Observaciones anteriores realizadas con el telescopio VLT (Very Large Telescope) de ESO ya habían mostrado que las pequeñas partículas de polvo también formaban una estructura de anillo similar. Pero la nueva observación con ALMA del lugar en el que se encontraron las partículas de polvo mayores ¡era muy diferente!

“La forma del polvo en la imagen fue una completa sorpresa”,afirma van der Marel. “En lugar del anillo que esperábamos ver, ¡descubrimos algo con forma de castaña de cajú! Tuvimos que convencernos de que esa forma era real, pero la fuerte señal y claridad de las observaciones de ALMA no dejaban lugar a dudas en cuanto a su estructura. Entonces nos dimos cuenta de lo que habíamos descubierto”.

Lo que se ha descubierto es una zona en la que los granos de polvo de mayor tamaño estaban atrapados y habían podido crecer mucho más al chocar y quedarse pegados. Era una trampa de polvo, justo lo que los teóricos estaban buscando.

Según explica van der Marel: “Es probable que estemos observando una especie de fábrica de cometas, ya que las condiciones son las adecuadas para que las partículas crezcan desde un tamaño milimétrico hasta uno cometario. Es improbable que el polvo pueda formar planetas a esta distancia de la estrella. Pero en un futuro cercano ALMA podrá observar trampas de polvo más cercanas a su estrella anfitriona, en las que funcionen los mismos mecanismos. Este tipo de trampas de polvo serían realmente la cuna de planetas recién nacidos”.

La trampa de polvo se forma a medida que partículas de polvo más grandes se mueven hacia áreas de mayor presión. Las simulaciones muestran que estas zonas de alta presión pueden originarse a partir de movimientos del gas situado al extremo de un agujero de gas; justo como el que se ha encontrado en este disco.

“La combinación de los trabajos de simulación junto con la alta calidad de las observaciones de ALMA hacen de éste un proyecto único”, afirma Cornelis Dullemond, del Instituto de Astrofísica Teórica, en Heidelberg (Alemania), experto en evolución del polvo y simulación de discos, quien es también miembro del equipo. “Cuando se llevaron a cabo estas observaciones estábamos trabajando en modelos que predecían exactamente este tipo de estructuras: una afortunada coincidencia”.

Las observaciones se llevaron a cabo cuando ALMA aún estaba en construcción. Utilizaron los receptores de banda 9 de ALMA [3], dispositivos fabricados en Europa que permiten a ALMA crear las imágenes más nítidas que se han obtenido hasta el momento.

“Estas observaciones demuestran que ALMA es capaz de proporcionar resultados científicos revolucionarios, incluso con menos de la mitad de sus antenas”, afirma Ewine van Dishoeck, del Observatorio de Leiden, una de los principales colaboradoras del proyecto ALMA durante más de 20 años. “El increíble salto, tanto en sensibilidad como en nitidez, de las imágenes obtenidas en la banda 9, nos ofrece la oportunidad de estudiar aspectos básicos de la formación planetaria de maneras que, sencillamente, antes no eran posibles”.

Notas

[1] El origen de la trampa de polvo, en este caso un remolino en el gas del disco, puede durar cientos de miles de años. Incluso cuando la trampa de polvo deja de actuar, el polvo acumulado en la trampa tardaría millones de años en dispersarse, proporcionando mucho tiempo a los granos de polvo para crecer.

[2] El nombre es una combinación formada a partir del nombre de la constelación donde se ubica la región de formación estelar en la que se encuentra el sistema, y el tipo de fuente. Por tanto, se llama Oph por la constelación de Ophiuchus (El Portador de la Serpiente), mientras que IRS es debido a la fuente infrarroja. La distancia que separa a la Tierra de Oph-IRS 48 es de unos 400 años-luz.

[3] ALMA puede observar en diferentes bandas de frecuencia. La banda 9, que opera en longitudes de onda de entre 0,4 y 0,5 milímetros, es el modo que proporciona las imágenes mucho más nítidas.

Información adicional

Este trabajo se presenta en el artículo “A major asymmetric dust trap in a transition disk”, por van der Marel et al, que aparece en la revista Science el 7 de junio de 2013.

El equipo está compuesto por Nienke van der Marel (Observatorio de Leiden, Países Bajos), Ewine F. van Dishoeck (Observatorio de Leiden; Instituto Max-Planck de Física Extretarrestre, Garching, Alemania [MPE]), Simon Bruderer (MPE), Til Birnstiel (Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, Cambridge, EE.UU. [CfA]), Paola Pinilla (Universidad de Heidelberg, Alemania), Cornelis P. Dullemond (Universidad de Heidelberg), Tim A. van Kempen (Observatorio de Leiden; ALMA-JAO, Santiago, Chile), Markus Schmalzl (Observatorio de Leiden), Joanna M. Brown (CfA), Gregory J. Herczeg (Instituto Kavli de Astronomía y Astrofísica, Universidad de Peking, Beijing, China), Geoffrey S. Mathews (Observatorio de Leiden) y Vincent Geers (Instituto de Estudios Avanzados de Dublín, Irlanda).

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. 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.

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