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ALMA descubre zona de formación de sistema planetario gigante
Lunes 20 de Enero de 2014

Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de astrónomos japoneses obtuvo pruebas fehacientes de la existencia de un sistema planetario gigante en plena formación alrededor de una joven estrella. Este hallazgo, que nos da una pista sobre el origen de diversos tipos de sistemas planetarios, transformará las teorías sobre los procesos de formación de planetas.

El equipo de investigación, encabezado por astrónomos de las universidades de Osaka e Ibaraki, usaron ALMA para observar una joven estrella de la constelación del Lobo (Lupus) conocida como HD142527. La imagen de ALMA muestra polvo cósmico —el material que da origen a los planetas— describiendo un anillo asimétrico alrededor de la estrella. Tras medir la densidad del polvo en la parte más densa del anillo, los astrónomos descubrieron que hay grandes posibilidades de que allí se estén formando planetas gaseosos gigantes como Júpiter o planetas rocosos como la Tierra. El área observada se encuentra lejos de la estrella, a una distancia cinco veces superior a la que separa al Sol de Neptuno. Esta es la primera vez que se encuentran indicios de formación planetaria tan lejos de la estrella central de un disco protoplanetario. El equipo pretende seguir usando ALMA para observar HD142527 y otros discos protoplanetarios con el fin de llevar a cabo una investigación más profunda y comprender mejor los procesos de formación planetaria.

Simulación del disco alrededor de HD142527. La joven estrella HD142527 está rodeada por el disco de polvo y gas. Las pequeñas partículas de polvo presentes en el disco colisionan y se fusionan para formar protoplanetas. Créditos: NAOJ

A la fecha se han descubierto más de 1.000 planetas extrasolares, y es sabido que el Sol no es la única estrella que tiene planetas. En el marco de investigaciones de este tipo, los astrónomos han encontrado una gran variedad de planetas, tales como gigantes gaseosos similares a Júpiter que giran alrededor de estrellas centrales describiendo órbitas mucho más pequeñas que la de Mercurio, o bien planetas con una órbita mucho más grande que la de Neptuno. Pese a todos estos hallazgos, los astrónomos todavía no comprenden a cabalidad el proceso de formación de los planetas, lo que constituye hoy una de las grandes prioridades de la astronomía. Cada vez son más las observaciones orientadas a la exploración de zonas de formación planetaria alrededor de estrellas jóvenes.

Las estrellas recién nacidas tienen un anillo de polvo [1] y gas que la rodean y que contiene el material a partir del cual se forman los planetas. Las recientes observaciones en infrarrojo cercano [2] realizadas con el telescopio Subaru del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ, por su sigla en inglés) revelaron que los discos protoplanetarios presentan una estructura mucho más compleja de lo que se creía. En teoría, las estructuras en espiral o que presentan vacíos delatarían la presencia de planetas ocultos en el disco[3]. No obstante, es imposible calcular la cantidad de polvo y gas presente en la zona más densa del disco mediante observaciones en infrarrojo cercano debido a que, al ser fácilmente absorbida o dispersada cuando hay grandes cantidades de polvo, la luz infrarroja cercana no sirve para estudiar el núcleo de la zona más densa del disco. Ahí es donde entra en juego ALMA, que permite observar las ondas milimétricas y submilimétricas [4]. Se trata de ondas de mayor longitud que la luz infrarroja cercana, por lo que son menos absorbidas por el polvo y permiten a los astrónomos estudiar el interior del disco. Antes, las observaciones de las ondas milimétricas y submilimétricas tenían la desventaja de que no permitían alcanzar una gran resolución espacial, pero con ALMA se ha mejorado considerablemente ese aspecto.

Imagen 1 (izquierda). Disco de polvo y gas alrededor de HD142527. La distribución de polvo y gas observada por ALMA se muestra en rojo y verde, respectivamente. La imagen de infrarrojo cercano producida por el telescopio Subaru de NAOJ se muestra en azul. Esta imagen muestra de forma bien clara que el polvo se concentra en la parte norte (superior) del disco. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NAOJ, Fukagawa et al. Imagen 2 (derecha). Disco alrededor de HD142527 observado por ALMA. Los colores asignados son los mismos de la imagen 1. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Fukagawa et al.

Observaciones con ALMA

El equipo de investigación eligió la joven estrella HD142527 de la constelación del Lobo (Lupus) como objeto para observar con ALMA. Anteriormente, usando el telescopio Subaru para observar el disco alrededor de HD142527, los astrónomos habían descubierto un vacío dentro del disco, y les había llamado la atención la peculiar forma del disco exterior [3]. Con ALMA se estudiaron las emisiones submilimétricas del anillo de polvo que circunda la estrella [5] y se descubrió una distribución heterogénea, al observar que el costado norte es 30 veces más brillante que el lado sur. "Estamos muy sorprendidos con el brillo del lado norte", señala Misato Fukagawa, profesor asistente de la Universidad de Osaka que encabeza el equipo, quien agrega que "el área más brillante en el espectro submilimétrico se encuentra lejos de la estrella central, a una distancia equivalente a unas cinco veces la que separa al Sol de Neptuno. Nunca había visto un punto tan brillante en una posición tan alejada. Esta intensa emisión submilimétrica puede interpretarse como un indicio de que hay una gran cantidad de material acumulado allí, y cuando se acumula material suficiente, se pueden formar planetas o cometas. Para investigar esta posibilidad, medimos la cantidad de material".

Para calcular la cantidad de material a partir de la intensidad de la emisión submilimétrica, la temperatura de dicho material constituye un parámetro muy importante. El equipo midió la temperatura en la zona densa observando isotopómeros de monóxido de carbono que lo llevaron a plantear dos posibilidades: allí se gesta un planeta gaseoso gigante o bien un planeta rocoso. Si bien la cantidad de polvo y gas es comparable con la que suele haber normalmente en el Universo (con una razón de 1 a 100 en la proporción de polvo y gas), la región más densa es lo suficientemente masiva como para atraer grandes cantidades de gas gracias a su propia gravedad y formar planetas gaseosos gigantes con una masa varias veces superior a la de Júpiter. Aunque se trata de un fenómeno similar al proceso de formación de estrellas en nubes cósmicas, es la primera vez que la observación de discos protoplanetarios permite inferir directamente la posible existencia de un proceso de formación planetaria. Otra posibilidad es la formación de una “trampa de polvo”, que provoca una acumulación excepcional en una parte del disco [6] y que, de formarse dentro de él, puede dar nacimiento a planetas rocosos similares a la Tierra, pequeños cuerpos como los cometas o bien núcleos de planetas gaseosos. En ambos casos, hay altas probabilidades de que se estén formando planetas en la parte más densa del disco que rodea HD142527.

Estos dos principios de formación planetaria ya se habían postulado teóricamente hace más de 30 años. Los astrónomos parten del supuesto de que los planetas de nuestro Sistema Solar comenzaron a formarse mediante la colisión y fusión de una gran cantidad de polvo que, al agolparse, fue formando núcleos planetarios (protoplanetas) que, a su vez, terminaron transformándose en planetas luego de numerosas colisiones y fusiones. Algunos de estos núcleos capturan atmósferas masivas y forman gigantes gaseosos. Hasta ahora se creía que en los sistemas planetarios similares a nuestro Sistema Solar ambos procesos se desarrollaban cerca de la estrella central (alrededor de las órbitas de Júpiter y Saturno), pero los resultados obtenidos con ALMA contradicen esa teoría. Munetake Momose, profesor de la Universidad de Ibaraki que participó en el estudio, afirma: "Una de las metas más importantes de ALMA es observar directamente los lugares donde se forman planetas. Nuestras observaciones permitieron ubicar un candidato de características únicas en un lugar excepcionalmente distante de la estrella central. Creo que ALMA nos reserva más sorpresas".

Perspectivas

El equipo de investigación llegó a la conclusión de que hay dos procesos de formación planetaria posibles en el disco alrededor de HD142527. El próximo paso consiste en alcanzar un cálculo preciso de la cantidad de gas para saber de qué proceso se trata. Para ello, el equipo continuará sus observaciones con las funcionalidades incrementadas de ALMA. Fukagawa señala: "HD142527 es un objeto peculiar, de acuerdo con nuestros limitados conocimientos. Sin embargo, se han descubierto otros discos protoplanetarios asimétricos desde que comenzaron las operaciones de la etapa de Ciencia Inicial en ALMA. Nuestra meta final es revelar el proceso físico principal que explica la formación de los planetas. Para ello, es importante lograr una visión exhaustiva del proceso de formación mediante observaciones de numerosos discos protoplanetarios, y esperamos formar parte de esta importante misión".

Notas

[1]: El polvo cósmico está formado por pequeñas partículas sólidas de silicio, carbono, hierro y otros elementos de cerca de 0,1 micrómetros. Se cree que las partículas de polvo alrededor de HD142527 alcanzan tamaños de hasta 1 milímetro.

[2]: La luz infrarroja cercana es una onda electromagnética con longitudes de 0,7 a 3 micrómetros.

[3]: Los siguientes resultados fueron publicados por el telescopio Subaru de NAOJ. "Discovery of a Giant Gap in the Disk of a Sun-like Star May Indicate Multiple Planets" (‘Descubrimiento de un vacío gigante en el disco de una estrella similar al Sol podría indicar presencia de múltiples planetas') - "Diversity the Norm in Protoplanetary Disks: Astronomers Find Donuts, Spirals and Now Banana Splits" (‘La diversidad como norma en los discos protoplanetarios: astrónomos encuentran rosquillas, espirales y medialunas’)

[4]: Las ondas milimétricas son ondas de radio con longitudes de entre 1 milímetro y 1 centímetro, mientras que las ondas submilimétricas tienen longitudes de entre 0,1 y 1 milímetro. La observación de ondas milimétricas y submilimétricas permite investigar el polvo y el gas frío presentes en el Universo.

[5]: La forma asimétrica del disco que circunda HD142527 ha sido observada por el Submillimeter Array (SMA) en Hawái y por ALMA durante el estudio descrito en el siguiente artículo: "ALMA Sheds Light on Planet-Forming Gas Streams - Tantalising signs of flows feeding gas-guzzling giant planets" (‘ALMA arroja luz sobre corrientes de gas que permiten formación de planetas – Sólidos indicios de flujos que alimentan planetas gigantes devoradores de gas’)
Este artículo, publicado en enero de 2013 por S. Casassus, describe el proceso de formación planetaria en el disco más cercano a la estrella central, pero no explora la posibilidad de un proceso de formación planetaria en el disco externo. Casassus observó la línea de emisión de HCO+, que aporta datos sobre la superficie del disco pero no sobre su interior. Con estos datos limitados, era imposible calcular la temperatura exacta de la parte interior del disco, fundamental para comprender el proceso de formación planetaria en el disco. Las emisiones de isotopómeros de monóxido de carbono observadas esta vez provienen de la parte interior. Como su intensidad refleja la temperatura, los investigadores pudieron calcular con precisión la masa del polvo y postular la existencia de un proceso de formación planetaria en el disco.

[6]: Una trampa de polvo es un lugar donde se acumulan partículas de polvo durante un largo período. En los modelos teóricos se consideraba la trampa de polvo un primer paso en la formación planetaria que posibilitaba la fusión del polvo. Hay varias explicaciones posibles para el mecanismo de formación de trampas de polvo, una de ellas es la presencia de un vórtice de gas en el disco protoplanetario. La presencia de la trampa de polvo ha sido confirmada por las observaciones recientes hechas con ALMA: "ALMA Discovers Comet Factory --- New observations of a "dust trap" around a young star solve long-standing planet formation mystery" (‘ALMA descubre fábrica de cometas – Nuevas observaciones de “fábrica de polvo” alrededor de joven estrella dilucida antiguo misterio de formación planetaria')

Información adicional

Los hallazgos de esta investigación se publicaron el 25 de diciembre de 2013 en el artículo de Fukagawa et al. “Local Enhancement of Surface Density in the Protoplanetary Ring Surrounding HD 142527” (‘Incremento local de la densidad en la superficie del anillo protoplanetario alrededor de HD 142527’), en la revista Publications of the Astronomical Society of Japan.

El equipo de investigación está integrado por: Misato Fukagawa (Universidad de Osaka), Takeshi Tsukagoshi, Munetake Momose (Universidad de Ibaraki), Kazuya Saigo, Nagayoshi Ohashi (NAOJ), Yoshimi Kitamura (ISAS/JAXA), Shuichiro Inutsuka (Universidad de Nagoya), Takayuki Muto (Universidad de Kogakuin), Hideko Nomura (Universidad de Kioto), Taku Takeuchi (Tokyo Institute of Technology), Hiroshi Kobayashi (Universidad de Nagoya), Tomoyuki Hanawa (Universidad de Chiba), Eiji Akiyama (NAOJ), Mitsuhiko Honda (Universidad de Kanagawa), Hideaki Fujiwara (NAOJ), Akimasa Kataoka (SOKENDAI/NAOJ), Sanemichi Takahashi (Universidad de Nagoya/ Universidad de Kioto) e Hiroshi Shibai (Universidad de Osaka).

La instalación astronómica internacional Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) 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) en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencia de Taiwán (NSC) y en Asia del Este por los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS) de Japón en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán.

La construcción y las operaciones de ALMA a nombre de Europa se encuentran a cargo de ESO, a nombre de Norteamérica son responsabilidad del Observatorio Radio Astronómico Nacional (NRAO), operado por Associated Universities, Inc. (AUI), y a nombre de Asia del Este corresponden al Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ). El Observatorio ALMA (Joint ALMA Observatory, JAO) tiene como labor la unificación del proyecto, y es el responsable de la dirección general y la gestión de la construcción, así como de la puesta en marcha y las operaciones del observatorio.

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