ALMA descubre anillo giratorio de moléculas orgánicas complejas

28 junio, 2016

Artículo Científico

Un equipo de investigadores descubrió, gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un anillo giratorio cargado de grandes moléculas orgánicas alrededor de una protoestrella. Esta observación confirma que los materiales orgánicos formados en el espacio interestelar son arrastrados hacia la zona donde se forman planetas. Los investigadores también descubrieron que las especies moleculares arrastradas hasta la zona incubadora varían de una protoestrella a otra. El estudio de la composición química trae nuevos indicios que ayudan a determinar si nuestro Sistema Solar es un sistema planetario típico.

Hace tiempo que los astrónomos saben que las moléculas orgánicas se forman en difusas nubes de gas que flotan entre las estrellas. Se cree que, a medida que el Sistema Solar fue formándose, hace 4.600 millones de años, algunas de estas moléculas orgánicas fueron transportadas desde el espacio interestelar hasta el disco protoplanetario. Posteriormente, estas moléculas desempeñaron un importante papel en la evolución química que dio origen a la vida en la Tierra. Sin embargo, todavía se desconocen los tipos y cantidades de moléculas que realmente llegaron desde el espacio interestelar. Aunque las observaciones radioastronómicas del último decenio revelaron la existencia de moléculas orgánicas saturadas y complejas como el metanol (CH3OH) y el formiato de metilo (HCOOCH3) 1 alrededor de estrellas de tipo solar, su distribución resultó ser demasiado compacta como para obtener la resolución necesaria con los radiotelescopios disponibles en la época.

Un equipo internacional encabezado por Yoko Oya, estudiante de posgrado del Departamento de Física de la Universidad de Tokio, y Nami Sakai, científico jefe asociado de RIKEN, usó ALMA para estudiar la distribución de varias moléculas orgánicas presentes alrededor de una protoestrella de tipo solar, IRAS 16293-2422A, con una gran resolución espacial. El estudio reveló una estructura en forma de anillo compuesta de moléculas orgánicas complejas alrededor de la protoestrella. El radio del anillo es 50 veces más largo que la órbita de la Tierra, una distancia comparable al tamaño del Sistema Solar. La estructura del anillo, en tanto, probablemente representa el límite entre el gas que fluye hacia dentro y el disco que gira alrededor de la protoestrella.


Figura 1. (Panel superior) Ilustración esquemática del gas entrante alrededor de la protoestrella. Alrededor de la protoestrella hay una estructura de disco con un radio de aproximadamente 50 UA. A su vez, el disco está rodeado por un envoltorio de gas que se extiende por 200 UA. En el envoltorio de gas hay OCS, mientras que el formiato de metilo se concentra principalmente en el área entre el envoltorio de gas y el disco. (Abajo a la izquierda) Distribución de las concentraciones de formiato de metilo (HCOOCH3) observada con ALMA. Se aprecia una estructura alargada sobre el eje A-B centrado en la protoestrella. El formiato de metilo se encuentra a 50 UA de la protoestrella. (Abajo a la derecha) Distribución de las concentraciones del sulfuro de carbonilo (OCS) observada con ALMA. Se aprecia una estructura alargada sobre el eje A-B centrado en la protoestrella, similar a la distribución del OCS. Sin embargo, la distribución del OCS (~200 UA) es más larga que la del formiato de metilo. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Oya et al. | Descargar imagen

Las observaciones revelaron con claridad la distribución de grandes moléculas orgánicas de formiato de metilo (HCOOCH3) y sulfuro de carbonilo (OCS). Al parecer, la distribución del formiato de metilo está confinada a una zona más compacta alrededor de la protoestrella que la distribución del OCS, que corresponde principalmente al gas entrante. “Cuando medimos el desplazamiento del gas que contiene formiato de metilo usando el efecto Doppler, observamos un claro movimiento de rotación característico de la estructura de anillo”, explica Oya. De esa forma se identificó el anillo giratorio de formiato de metilo, pese a que aún no se logra una resolución espacial. Los investigadores también encontraron un anillo similar correspondiente al metanol.

Estas moléculas orgánicas saturadas se forman en el espacio interestelar y se mantienen intactas en la superficie de los granos de polvo. Alrededor del borde externo del disco, en cambio, se evaporan debido al choque generado por las colisiones de los discos y del material que fluye hacia dentro, y/o por el calor generado por la luz que emana de la joven estrella. Esta es la primera prueba directa de que los materiales orgánicos interestelares efectivamente fluyen hacia el disco giratorio que posteriormente da nacimiento a un sistema planetario.


Figura 3. Ilustración esquemática de la distribución molecular alrededor de las protoestrellas. (Izquierda) El caso de IRAS 16293-2422A, donde abundan las moléculas orgánicas complejas saturadas. El límite está destacado por estas moléculas. (Derecha) El caso de L1527, donde abundan las moléculas orgánicas complejas no saturadas. El límite está destacado por el monóxido de azufre (SO). Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Oya et al. | Descargar imagen

En 2014, el equipo descubrió un anillo similar compuesto de monóxido de azufre (SO) alrededor de otra protoestrella similar al Sol, L1527. En esta fuente, abundan las moléculas orgánicas complejas no saturadas como el CCH y el c-C3H2, presentes en el gas que la alimenta, mientras que el SO se encuentra principalmente en el límite entre dicho gas y el disco. Si bien la estructura física de L1527 es similar a la de IRAS 16293-2422A, su composición química difiere considerablemente. En efecto, L1527 carece prácticamente por completo de moléculas orgánicas complejas saturadas.

Los nuevos resultados, comparados con las observaciones anteriores de L1527, demostraron por primera vez que los materiales que dan origen a los sistemas planetarios difieren de una estrella a otra. De ahí la importancia de adquirir una nueva perspectiva sobre la composición química para comprender a cabalidad el origen del Sistema Solar y de la vida en la Tierra.

Información adicional

Los resultados de este estudio se publicaron en el artículo de Oya et al. titulado “Infalling-Rotating Motion and Associated Chemical Change in the Envelope of IRAS 16293-2422 Source A Studied with ALMA” (‘Movimiento giratorio entrante y cambio químico correspondiente en el envoltorio en la fuente A de IRAS 16293-2422 estudiado con ALMA’) en The Astrophysical Journal el 20 de junio de 2016.

Los miembros del equipo de investigación son:

Yoko Oya (Universidad de Tokio), Nami Sakai (RIKEN), Ana López-Sepulcre (Universidad de Tokio), Yoshimasa Watanabe (Universidad de Tokio), Cecilia Ceccarelli (Universidad de Grenoble Alpes/CNRS), Bertrand Lefloch (Universidad de Grenoble Alpes/CNRS), Cécile Favre (Universidad de Grenoble Alpes/CNRS), Satoshi Yamamoto (Universidad de Tokio).

El estudio fue financiado por la Sociedad Japonesa para el Fomento de la Ciencia (JSPS), fondos de investigación otorgados por el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón (21224002, 25400223, 25108005 y 15J0161), el Programa de Acción Integrado Japón-Francia JSPS-MAEE (SAKURA: 25765VC) y el Programa de Acción Francia-Japón del CNRS.

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 Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), 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 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.

  1. Las moléculas orgánicas sin enlaces múltiples entre los átomos se conocen como moléculas saturadas. Por otro lado, las moléculas con enlaces múltiples se llaman moléculas no saturadas.