Nuevas imágenes de superresolución revelan el primer paso en la formación de planetas tras el nacimiento de una estrella

Un equipo de investigación, dirigido por Ayumu Shoshi, de la Universidad de Kyushu, y el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica (ASIAA), reveló discos protoplanetarios alrededor de protoestrellas que no se habían observado con claridad en análisis previos. Para ello, empleó una nueva técnica de imagen con modelado disperso a partir de datos de archivo de ALMA. Los objetivos fueron 78 discos en la región de formación estelar de Ofiuco. Estos discos, compuestos de gas y polvo, que se forman alrededor de las protoestrellas inmediatamente después de su nacimiento son, por así decirlo, las cunas de los planetas. La nueva técnica reveló diversas subestructuras características de los discos, como anillos y espirales, que previamente eran indetectables con métodos convencionales. Cabe destacar que estas distintivas subestructuras se encontraron en un número significativo de estrellas en sus primeras etapas de formación, aproximadamente varios cientos de miles de años después del nacimiento de la estrella. Esto sugiere la posible coevolución de estrellas y planetas en un entorno rico en gas y polvo, lo que proporciona una pista importante para comprender el proceso de formación planetaria.

Identificar el período de formación de sistemas planetarios, como nuestro Sistema Solar, podría ser el inicio del camino hacia el descubrimiento del origen de la vida. La clave reside en las subestructuras únicas que se encuentran en los discos protoplanetarios, los lugares de formación de los planetas. Un disco protoplanetario está compuesto de gas y polvo molecular a baja temperatura que rodea a una protoestrella. Si existe un planeta en el disco, su gravedad acumulará o expulsará materiales en su interior, formando subestructuras características como anillos o espirales. En otras palabras, las diversas subestructuras del disco pueden interpretarse como "mensajes" de los planetas en formación. Para estudiar estas subestructuras en detalle, se requieren observaciones de radio de alta resolución con ALMA.

Hasta la fecha, se han realizado numerosas observaciones de discos protoplanetarios (o discos circunestelares) con ALMA. En particular, dos grandes programas de ALMA, DSHARP y eDisk, han revelado la distribución detallada del polvo en discos protoplanetarios mediante observaciones de alta resolución. El proyecto DSHARP descubrió que las estructuras distintivas son comunes en discos circunestelares alrededor de 20 estrellas jóvenes, cada una con más de un millón de años desde el inicio de su formación estelar eDisk (ver nota), que investigó discos alrededor de 19 protoestrellas en fase de acreción (la etapa en la que la acreción de masa sobre la estrella y el disco es activa), halló menos estructuras distintivas. Esta fase ocurre aproximadamente entre 10 000 y 100 000 años después del nacimiento de la estrella. Esto sugiere que los discos presentan características diversas según la edad de la estrella.

En este caso, la pregunta es cuándo aparecen las subestructuras, los signos de la formación planetaria, en los discos. Para encontrar la respuesta, es necesario observar discos de un amplio rango de edades intermedias aún por explorar. Sin embargo, las limitaciones en el número de discos observables a alta resolución, debido a la distancia y el tiempo de observación, dificultan la realización de un estudio estadísticamente significativo con un tamaño de muestra suficientemente grande.

Para superar estas limitaciones, el equipo de investigación recurrió a imágenes de superresolución con modelado disperso. En radioastronomía, las imágenes se restauran comúnmente basándose en una suposición específica para compensar la falta de datos de observación. El método de imagen empleado en esta ocasión reconstruye basándose en una suposición más precisa que el enfoque convencional, produciendo imágenes de mayor resolución incluso utilizando los mismos datos de observación. En este estudio se utilizó PRIISM (módulo de Python para Imágenes de Radio Interferometría con Modelado Disperso), el software público desarrollado por un equipo de investigación japonés. El equipo de investigación empleó esta nueva técnica de imagen con datos de archivo de ALMA, analizando 78 discos en la región de formación estelar de Ofiuco, ubicada a 460 años luz del Sistema Solar. Como resultado, más de la mitad de las imágenes generadas en este estudio alcanzaron una resolución tres veces superior a la del método convencional, comparable a la de los proyectos DSHARP y eDisk. Además, el número total de muestras en este estudio es casi cuatro veces mayor que el de los dos proyectos anteriores, lo que mejora significativamente la robustez de nuestro análisis estadístico. Entre los 78 discos analizados, 27 presentaron estructuras anulares o espirales, 15 de las cuales se identificaron por primera vez en este estudio.

El equipo combinó la muestra de Ofiuco con las del proyecto eDisk para realizar un análisis estadístico. Como resultado, descubrieron que las subestructuras características del disco emergen en discos con radios superiores a 30 unidades astronómicas (UA) durante la etapa temprana de la formación estelar, tan solo unos cientos de miles de años después del nacimiento de una estrella. Esto sugiere que los planetas comienzan a formarse mucho antes de lo que se creía, cuando el disco aún posee abundante gas y polvo. En otras palabras, los planetas crecen juntos. éter con sus estrellas anfitrionas muy jóvenes. Ayumu Shoshi afirma: «Estos hallazgos, que acortan distancias entre los proyectos eDisk y DSHARP, fueron posibles gracias a la innovadora tecnología de imágenes que permite alcanzar una alta resolución y un gran número de muestras. Si bien estos hallazgos solo se refieren a los discos de la constelación de Ofiuco, estudios futuros de otras regiones de formación estelar revelarán si esta tendencia es universal».

Nota

La etapa evolutiva de una protoestrella se estima utilizando la temperatura bolométrica alrededor de la estrella. La temperatura bolométrica es una temperatura aparente derivada del brillo total de un objeto en todas las longitudes de onda. Una temperatura bolométrica más alta indica una etapa evolutiva más avanzada, y una temperatura de 650 K sugiere que ha transcurrido aproximadamente un millón de años desde el nacimiento de la estrella.

Información adicional

Esta investigación se publicó en The Publications of the Astronomical Society of Japan el 22 de abril de 2025, como Ayumu Shoshi et al. “Estudio de imágenes de superresolución 2D de ALMA de los discos de Ofiuco de Clase I/espectro plano/II. I. Descubrimiento de nuevas subestructuras de disco” (DOI: https://doi.org/10.1093/pasj/psaf026)

Coinvestigadores:
Masayuki Yamaguchi (ASIAA), Takayuki Muto (Universidad de Kogakuin), Naomi Hirano (ASIAA), Ryohei Kawabe (Escuela de Estudios Avanzados, SOKENDAI/Observatorio Astronómico Nacional de Japón), Takashi Tsukagoshi (Universidad de Ashikaga) y Masahiro Machida (Universidad de Kyushu).

El comunicado de prensa original fue publicado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), socio de ALMA en representación de Asia del Este.

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 miembro, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán (NSTC), 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 miembro; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities (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.

Imágenes