ALMA identifica espirales de gas que alimentan el nacimiento de dos jóvenes estrellas gemelas

4 diciembre, 2014

Gracias a nuevas observaciones con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de astrónomos liderados por Shigehisa Takakuwa, del Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sinica de Taiwán (ASIAA), descubrió una espiral de polvo y gas molecular alrededor de dos jóvenes estrellas gemelas. Sus observaciones también revelaron la presencia de una corriente de gas que fluye hacia las estrellas. Este hallazgo muestra, por primera vez, la formación y crecimiento de sistemas binarios de estrellas, comunes en el Universo. El estudio fue publicado el 20 de noviembre de 2014 en The Astrophysical Journal.

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Fig 1. Gas and dust disks around L1551 NE spotted by ALMA. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Takakuwa et al.

Las estrellas se forman en nubes de polvo y gas molecular. Estudios anteriores sobre formación estelar se concentraron principalmente en estrellas solitarias como el Sol, y se ha establecido un esquema estandarizado sobre ésta. De acuerdo a este esquema, una densa condensación de gas en una nube interestelar colapsa gravitacionalmente para formar una única protoestrella en su centro. Observaciones anteriores han detectado el movimiento de dicho gas colapsando y alimentando con material la protoestrella central.

En comparación a sistemas solitarios de estrellas, los estudios de sistemas binarios han sido limitados. Sin embargo, se sabe que más de la mitad de las estrellas con una masa similar a la del Sol son binarias, y es por lo tanto crucial observar los mecanismos físicos de la formación binaria para entender mejor los procesos de formación estelar. Teóricamente, un disco que rodea el sistema binario de protoestrellas lo alimentaría con material haciéndolas crecer. Mientras que observaciones recientes han detectado estos discos, llamados discos circumbinarios, alrededor de protoestrellas binarias, éstas no han podido revelar su estructura ni el movimiento del gas para alimentar las protoestrellas, debido a la falta de resolución y sensibilidad de sus instrumentos.

Fig 2. Comparison of the disks in simulation and observation. The right panel shows the disk image simulated with ATERUI, and the left panel the real ALMA image. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Takakuwa et al.

El equipo de investigación encabezado por Shigehisa Takakuwa, observó con ALMA las estrellas binarias L1551 NE [1] ubicadas en la constelación de Tauro, a unos 460 años luz de distancia, con una resolución 1,6 veces mejor y una sensibilidad 6 veces mayor que observaciones anteriores hechas con el SubMillimeter Array (SMA). Observaron las emisiones de polvo, a 0,9 mm de longitud de onda para trazar la distribución de material interestelar, y las emisiones de monóxido de carbono para estudiar el movimiento del gas con el efecto Doppler. Encontraron componentes de gas asociados con cada una de las estrellas (ambas se pueden ver en la imagen 1), y un disco, circumbinario, que rodea ambas estrellas, con un radio de 300 UA, que corresponde a 10 veces el radio orbital de Neptuno en nuestro Sistema Solar. Es la primera vez que logran exitosamente representar en una imagen el detalle de las estructuras del disco circumbinario, y darse cuenta que éste tiene una característica forma de U al Sur con extensiones al Norte apuntando hacia el Noroeste y Noreste (Imagen 1).

Para comprender estas nuevas características, el equipo de investigación construyó un modelo teórico de la formación binaria de L1551 NE, que se muestra en la imagen 2 (a la derecha y también en película adjunta), utilizando la súper computadora «ATEURI», del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) [2]. Tal y como se ve en la imagen 2, la forma de U al Sur y las protuberancias en el Norte observadas con ALMA se pueden reproducir con un par de brazos en espiral derivados de cada una de las protoestrellas. Los investigadores también estudiaron el movimiento del gas observado a través de las emisiones moleculares de monóxido de carbono, e identificaron una rotación más rápida en los brazos en espiral y una rotación más lenta en la zonas entre los brazos. En estas últimas zonas también se observa un movimiento de atracción del gas hacia la protoestrella binaria, al que llaman proceso de alimentación de las protoestrellas con material. Estos resultados muestran que las protoestrellas binarias sacuden el disco circumbinario que las rodea y producen la corriente de gas que las alimenta. «Nuestras observaciones de alta resolución con ALMA revelaron, por primera vez, imágenes en vivo del crecimiento de las protoestrellas binarias», dijo Takakuwa.

Fig 3. Gas motion around the baby binary stars L1551 NE simulated with the supercomputer ATERUI. The simulation reproduces the spiral arm stemming from each baby star, which is consistent with the ALMA image. Credit: T. Matsumoto (Hosei University)

Tomoaki Matsumoto, profesor de la Universidad de Hosei, responsable del modelo teórico que se usó en el súper computador, dijo que  «las observaciones con ALMA coinciden sorprendentemente con las predicciones de la simulación» [3]. Kazuya Saigo, coautor principal de la investigación junto a Takakuwa, explica que «la elevada capacidad de resolución y sensibilidad de ALMA fue clave para revelar la estructura y el movimiento del disco de gas. Combinar las imágenes de alta resolución de ALMA con los resultados de simulaciones informáticas va a ser cada vez más común en el futuro, y nuestra investigación puede verse como precursora de esa tendencia».

Notas: 

[1] Las masas de las dos estrellas se calculan en 0,67 y 0,13 masas solares y su separación en 145 UA (1 unidad astronómica equivale a la distancia promedio entre el Sol y la Tierra, es decir, 150 millones de kilómetros).

[2] La súper computadora ATERUI (Cray XC30), operada por el Centro de Astrofísica Informática del NAOJ, es la más rápida del mundo destinada a la investigación en astrofísica.

[3] El telescopio Subaru del NAOJ detectó una estructura en espiral alrededor del sistema binario SR24, un sistema más evolucionado. Las estrellas de SR24 prácticamente ya han madurado y su envoltorio de gas está más disperso, mientras que las estrellas de L1551 NE están en pleno crecimiento. Las observaciones de ALMA revelan que la estructura en espiral desempeña un importante papel en esta primera etapa de formación binaria.

Referencias: 

Primera imagen directa de un joven sistema binario http://subarutelescope.org/Pressrelease/2009/11/19/index.html 

Estos resultados de observación se publicaron en la revista The Astrophysical Journal con el título «Intercambio de impulso angular por torques y caídas gravitacionales en el disco circumbinario del sistema protoestelar L1551 NE», de Takakuwa et al., en noviembre de 2014.

Esta investigación fue realizada por el siguiente equipo: Shigehisa Takakuwa (Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica) Masao Saito (Radiobservatorio de Nobeyama, Observatorio Astronómico Nacional de Japón / SOKENDAI (Universidad de Posgrado en Estudios Avanzados) Kazuya Saigo (Observatorio Astronómico Nacional de Japón en Chile) Tomoaki Matsumoto (Universidad de Hosei) Jeremy Lim (Universidad de Hong Kong) Tomoyuki Hanawa (Universidad de Chiba) Paul T. P. Ho (Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica)

Esta investigación fue financiada con los siguientes fondos: Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST 102-2119-M-001-012-MY3). Beca de posgrado HKU 703512P del Gobierno de la RAE de Hong Kong otorgado por la Universidad de Hong Kong. Sociedad Japonesa para el Fomento de la Ciencia (JSPS), becas KAKENHI n.º 24244017 y 23540270.

Información adicional

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.

Contactos:

Shigehisa Takakuwa 
Associate Research Fellow, Institute of Astronomy Astrophysics,
Academia Sinica
Taipei, Taiwan
Email: takakuwa@asiaa.sinica.edu.tw 
Tel: +886-2-2366-5395

Valeria Foncea 
Directora de Comunicaciones y Educación
Observatorio ALMA
Santiago, Chile
Tel: +56 2 2467 6258
Cel: +56 9 7587 1963
Correo electrónico: vfoncea@alma.cl 

Masaaki Hiramatsu
Encargado de Educación y Extensión, NAOJ Chile
Observatorio de Tokio, Japón
Tel: +81 422 34 3630
Correo electrónico: hiramatsu.masaaki@nao.ac.jp 

Richard Hook
Encargado de Prensa, ESO
Garching, Alemania
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Charles E. Blue 
Encargado de Comunicaciones
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Charlottesville VA, EE.UU.
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