ALMA ahonda en los misterios de la formación planetaria

28 Junio, 2023 / Tiempo de lectura: 9 minutes

Un equipo internacional de investigación usó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para observar discos alrededor de 19 protoestrellas a una resolución muy alta en busca de las primeras señales de formación planetaria. El estudio, encabezado por Nagayoshi Ohashi, del Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica (ASIAA) de Taiwán, y titulado Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk; ‘Formación Planetaria Temprana en Jóvenes Discos Protoestelares’) se emprendió tras el reciente descubrimiento de que los procesos de formación planetaria pueden estar bien avanzados en los discos protoplanetarios más evolucionados que ALMA ha estudiado en detalle, y ante la falta de estudios sistemáticos en busca de indicios de formación planetaria en sistemas protoestelares más jóvenes.

El origen de nuestro sistema solar y de los sistemas planetarios extrasolares constituyen uno de los campos de estudio más importantes de la astronomía moderna. Nuestro Sol se formó hace unos 4.600 millones de años, y todas las estrellas similares al Sol se desarrollan mediante procesos similares, en los que un disco se forma alrededor de una estrella recién nacida y luego surgen planetas dentro del disco.^[1] Como estos discos protoplanetarios suelen durar algunos millones de años, los sistemas planetarios deberían terminar de formarse durante ese plazo. Sin embargo, aún no se sabe a ciencia cierta qué tan pronto empiezan a formarse los planetas dentro de sus discos.

Gracias a observaciones recientes de ALMA, se descubrió que muchos discos protoplanetarios tienen subestructuras como surcos y anillos, lo cual significa que probablemente haya planetas formándose y barriendo el material del disco a su paso y que el proceso de formación planetaria se encuentra bien avanzado o casi terminado. “Estos resultados nos motivaron a estudiar discos alrededor de protoestrellas aún más jóvenes para saber en qué etapa de la formación estelar se forman los planetas”, señala Nagayoshi Ohashi.

El equipo de investigación centró su estudio en sistemas de tan solo 10.000 a 100.000 años de edad y usó ALMA para observar emisiones de radio de granos de polvo, que constituyen los componentes básicos a partir de los cuales se forman los planetas. En estudios anteriores solo se habían observado unas pocas protoestrellas con la resolución necesaria para detectar indicios de formación planetaria. En esta ocasión, el equipo observó discos alrededor de 19 protoestrellas situadas a unos 650 años luz de la Tierra, usando la resolución angular muy alta de ALMA^[2], para examinar la estructura de los discos protoestelares en detalle. Este es el primer estudio sistemático que se hace para observar la estructura de discos alrededor de una gran muestra de protoestrellas con esa resolución angular.

Los resultados confirmaron que todas las protoestrellas tienen discos a su alrededor, de lo cual se desprende que ya están dadas las condiciones para que se formen planetas en estos jóvenes sistemas protoestelares. Sin embargo, estas observaciones revelaron diferencias con respecto a los discos protoplanetarios más evolucionados: de las 19 protoestrellas estudiadas, solo algunas de las más evolucionadas presentaban anillos y surcos en los discos, que delatan la presencia de planetas en formación. Asimismo, las estructuras de los anillos son menos distinguibles que aquellas observadas en los discos protoplanetarios, y en muchos casos el polvo (a partir del cual se forman los planetas) no se había asentado en el plano medio del disco, sino que parecía estar sobre dicho plano, dando un aspecto de mayor espesor al disco. En los discos más evolucionados, en contraste, el polvo se asienta en el plano medio y los discos tienen un aspecto mucho más fino. “No esperábamos ver diferencias tan evidentes entre los discos alrededor de las protoestrellas y los que se encuentran más evolucionados”, explica Nagayoshi Ohashi. El coinvestigador John Tobin, del Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos (NRAO), agrega: “Nuestros resultados indican que los discos presentes alrededor de las protoestrellas no están totalmente listos para la formación de planetas. Creemos que la formación del sistema planetario propiamente tal avanza a paso acelerado entre los 100.000 años y el millón de años desde que empieza a formarse la estrella”.

Jes Jørgensen, del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague (Dinamarca), también coinvestigador del programa, resalta además la importancia de la cooperación internacional en la planificación e implementación de un programa de tamaña envergadura. “Hay 37 investigadores de 15 institutos participando en el equipo de investigación internacional a cargo de este estudio. Además, cerca de la mitad son estudiantes de posgrado o jóvenes investigadores que recién obtuvieron su doctorado. Este estudio brinda a muchos jóvenes la oportunidad de participar en programas internacionales de gran envergadura, y podría decirse que desempeña un papel muy importante por ser un incubador de futuras investigaciones y colaboraciones”.

Notas

1. En la década de los sesenta, un equipo de investigación encabezado por el Prof. Chushiro Hayashi, de la Universidad de Kioto (Japón), elaboró un modelo de formación de sistema planetario que pasó a ser conocido como Modelo Hayashi. En dicho modelo, se dio por sentado que el proceso de formación planetaria alrededor de una estrella recién nacida se daba cerca de 1 a 10 millones de años después de formada la protoestrella. En ese entonces, aún no se había confirmado mediante observaciones que había discos protoplanetarios alrededor de estrellas tan jóvenes. 
2. Las observaciones del estudio eDisk realizadas con ALMA tienen una precisión de 0,04 arcosegundos, que permitiría observar una moneda a 100 km de distancia.

Información adicional

La investigación se describe en una serie de artículos publicados el 27 de junio de 2023 en The Astrophysical Journal.

• Nagayoshi Ohashi et al. “Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). I. Overview of the Program and First Results” (‘Formación Planetaria Temprana en Jóvenes Discos Protoestelares [eDisk]. I. Descripción del programa y primeros resultados’).
• Zhe-Yu Daniel Lin et al. “Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). II. Limited Dust Settling and Prominent Snow Surfaces in the Edge-on Class I Disk IRAS 04302+2247” (‘Formación Planetaria Temprana en Jóvenes Discos Protoestelares [eDisk]. II. Precipitación limitada del polvo y prominentes superficies de nieve en el disco Clase I de perfil IRAS 04302+2247’).
• Merel L.R. van 't Hoff et al. “Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). III. A First High-resolution View of Submillimeter Continuum and Molecular Line Emission toward the Class 0 Protostar L1527 IRS” (‘Formación Planetaria Temprana en Jóvenes Discos Protoestelares [eDisk]. III. Primera vista en alta resolución del continuo submilimétrica y la emisión de línea molecular hacia la protoestrella Clase 0 L1527 IRS’).
• Yoshihide Yamato et al. “Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). IV. The Ringed and Warped Structure of the Disk around the Class I Protostar L1489 IRS” (‘Formación Planetaria Temprana en Jóvenes Discos Protoestelares [eDisk]. IV. Estructura de anillo curvo del disco alrededor de la protoestrella Clase I L1489 IRS’).
• Miyu Kido et al. “Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk). VII. Keplerian Disk, Disk Substructure, and Accretion Streamers in the Class 0 Protostar IRAS 16544–1604 in CB 68” (‘Formación Planetaria Temprana en Jóvenes Discos Protoestelares [eDisk]. VII. Disco kepleriano, subestructura del disco y penachos de acreción en la protoestrella Clase 0 IRAS 16544–1604 en CB 68’).

Este comunicado es una adaptación y traducción del original publicado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ, por su sigla en inglés).

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 miembros, 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 miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Observatorio Conjunto ALMA (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.

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