ALMA mide el tamaño de las semillas planetarias

5 diciembre, 2016

Artículo Científico Publicación de ALMA Kids

Un equipo de investigadores usó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para realizar por primera vez una medición precisa de las diminutas partículas de polvo que rodean una joven estrella a partir de la polarización de las ondas de radio. Este importante hito en el estudio de la formación planetaria alrededor de estrellas jóvenes fue posible gracias a la gran sensibilidad de ALMA, que permite detectar ondas de radio polarizadas.

Los astrónomos creen que los planetas se forman al aglomerarse partículas de polvo y gas, pero desconocen los pormenores del proceso. Uno de los principales enigmas es cómo unas partículas de polvo de apenas un micrómetro se unen para formar planetas rocosos de 10.000 kilómetros. La dificultad para medir el tamaño de las partículas ha impedido a los astrónomos hacer un seguimiento del crecimiento del polvo.


Representación artística de un anillo de polvo alrededor de la joven estrella HD 142527. El polvo existente alrededor de la estrella presenta una distribución asimétrica. Créditos: NAOJ | Descargar imagen

Akimasa Kataoka, investigador becado por la Fundación Humboldt que se desempeña en la Universidad de Heidelberg y el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), asumió este desafío. Junto con sus colaboradores, el investigador había predicho que, alrededor de las estrellas jóvenes, las ondas de radio emitidas por las partículas de polvo tienen características de polarización únicas. El equipo también señaló que la intensidad de las emisiones polarizadas permite calcular el tamaño de las partículas de polvo mejor que otros métodos.

Para poner a prueba su teoría, el equipo encabezado por Kataoka observó la joven estrella HD 142527 con ALMA1)] y descubrió, por primera vez, el patrón de polarización único del disco de polvo que la rodea. Tal como habían predicho, la polarización presenta una dirección radial en gran parte del disco, pero en los bordes esta se vuelve perpendicular a la dirección radial.


Disco de polvo que rodea la joven estrella HD 142527 observado con ALMA. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Kataoka et al. | Descargar imagen

Al comparar la intensidad medida de las emisiones polarizadas con las predicciones teóricas, los investigadores determinaron que las partículas de polvo tienen como máximo 150 micrómetros. Esta es la primera vez que se calcula el tamaño del polvo a partir de la polarización. Para sorpresa de los investigadores, el tamaño calculado es más de 10 veces más pequeño de lo que se había predicho.

“En los estudios anteriores, los astrónomos habían calculado el tamaño a partir de las emisiones de radio suponiendo que las partículas de polvo son esféricas””, explica Kataoka. “En nuestro estudio, observamos las ondas de radio dispersas a través de la polarización, que proporciona información independiente a la de la emisión térmica del polvo. Esta diferencia tan grande en el tamaño de las partículas de polvo significa que los cálculos anteriores pueden ser erróneos”.


Patrón de polarización alrededor de la joven estrella HD 142527 obtenido por ALMA. Los contornos muestran la intensidad total de las emisiones de polvo y la imagen a colores muestra la intensidad de las emisiones polarizadas. Las barras blancas muestran la dirección de la polarización. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Kataoka et al. | Descargar imagen

Para resolver esta contradicción, el equipo consideró la existencia de partículas de polvo esponjosas y de formas complejas, en vez de limitarse a partículas esféricas2. A nivel macroscópico estas partículas son grandes, pero a nivel microscópico, cada diminuta sección de una partícula de polvo emite ondas de radio y genera una polarización de características únicas. En este estudio, los astrónomos determinaron estas características “microscópicas” mediante observaciones de polarización. Esto podría motivar a los astrónomos a reinterpretar datos de observaciones anteriores

“La fracción de polarización de las ondas de radio del disco de polvo alrededor de HD 142527 corresponde apenas a un pequeño porcentaje. Gracias a la alta sensibilidad de ALMA, pudimos detectar estas señales tan débiles para obtener información sobre el tamaño y la forma de las partículas de polvo”, explica Kataoka. “Este es el primer paso en la investigación sobre la evolución del polvo con polarimetría, y creo que el futuro nos deparará grandes hallazgos”.

Información adicional

Los resultados de este estudio se publicaron en el artículo de Kataoka et al. titulado “Millimeter polarization observation of the protoplanetary disk around HD 142527” (‘Observación de polarización milimétrica en el disco protoplanetario alrededor de HD 142527’) en The Astrophysical Journal Letters en noviembre de 2016.

Los miembros del equipo de investigación son:

Akimasa Kataoka (Beca de Posdoctorado de la Fundación Humboldt / Universidad de Heidelberg / Observatorio Astronómico Nacional de Japón / anteriormente, titular de una Beca de Posdoctorado en el Extranjero de la Sociedad Japonesa para el Fomento de la Ciencia), Takashi Tsukagoshi (Universidad de Ibaraki), Munetake Momose (Universidad de Ibaraki), Hiroshi Nagai (Observatorio Astronómico Nacional de Japón), Takayuki Muto (Universidad Kogakuin), Cornelis P. Dullemond (Universidad de Heidelberg), Adriana Pohl (Universidad Heidelberg / Instituto Max Planck de Astronomía), Misato Fukagawa (Universidad de Nagoya), Hiroshi Shibai (Universidad Osaka), Tomoyuki Hanawa (Universidad de Chiba) y Koji Murakawa (Universidad Osaka Sangyo).

El estudio se financió con fondos otorgados por la Sociedad Japonesa para el Fomento de la Ciencia y el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón (N.o 23103004, 15K17606 y 26800106).

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. HD 142527 se encuentra a 500 años luz de la Tierra, en dirección de la constelación de Lupus, el Lobo. Se calcula que la estrella tiene 5 millones de años y el doble de masa que nuestro Sol. HD 142527 es un astro popular entre los astrónomos que estudian los procesos de formación planetaria, y ya ha habido varios hallazgos relacionados con este objeto realizados gracias a ALMA (como, por ejemplo, “ALMA descubre zona de formación de sistema planetario gigante”) y al telescopio Subaru (”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’
  2. Antes de las observaciones realizadas con ALMA, Kataoka había predicho la presencia de partículas de polvo esponjosas alrededor de las estrellas jóvenes. Además de proporcionar una buena explicación para los resultados de las observaciones realizadas con ALMA, la existencia de estas partículas también ayuda a resolver otras grandes interrogantes sobre el proceso de aglomeración del polvo. Para obtener más detalles, véase el comunicado de prensa “The seeds of planets are fluffy” (‘Las semillas de los planetas son esponjosas’), publicado en 2013