Artículo científico

Gracias a la extraordinaria nitidez de las imágenes de ALMA, un equipo de investigación ha descubierto anillos, surcos y cavidades en discos extremadamente compactos que rodean estrellas jóvenes. Las observaciones muestran que las estructuras asociadas a la formación planetaria se extienden a regiones de tamaño comparable al del sistema solar interior. Esto sugiere que muchos discos pequeños podrían haber parecido uniformes simplemente porque sus detalles eran demasiado pequeños para distinguirlos.

Algunas de las imágenes más impactantes del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) muestran estrellas jóvenes rodeadas de extensos discos de gas y polvo con complejos patrones de anillos y surcos. Estas estructuras pueden atrapar material sólido y señalar los lugares donde comienzan a formarse los planetas.

Sin embargo, hasta ahora la comunidad astronómica ha observado estas espectaculares estructuras principalmente en discos grandes y brillantes. Los discos mucho más pequeños solían parecer uniformes y relativamente carentes de detalles, lo que planteaba la interrogante de si evolucionaban de manera diferente o si sus estructuras simplemente eran demasiado pequeñas para observarlas.

Ahora, un equipo liderado por Pietro Curone, del Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA) y de la Universidad de Chile, junto con Gijs Mulders, de la Pontificia Universidad Católica de Chile; Nienke van der Marel, del Observatorio de Leiden; y Laura Pérez, de la Universidad de Chile, ha logrado observarlos con mucho mayor detalle.

Con las antenas de ALMA en su configuración más extendida, el equipo observó 11 discos protoplanetarios extremadamente compactos en la región de formación estelar de Lupus. Las observaciones, realizadas en la Banda 7 de ALMA, a una longitud de onda de aproximadamente 0,9 milímetros, alcanzaron una resolución angular de unos 0,02 segundos de arco. A la distancia de Lupus, esto corresponde a una escala de aproximadamente dos unidades astronómicas, es decir, el doble de la distancia promedio entre la Tierra y el Sol. Esta es la mayor resolución angular disponible actualmente con ALMA a esta longitud de onda.

Con esa resolución, varios discos que habían parecido simples comenzaron a revelar detalles ocultos. El equipo detectó subestructuras claras a menos de 10 unidades astronómicas de la estrella central en cuatro de los 11 discos y encontró indicios de características similares en otros tres. En uno de los sistemas, Sz 112, ALMA logró distinguir una cavidad central que se extiende hasta una distancia de apenas 1,6 unidades astronómicas de la estrella.

“Durante mucho tiempo, los discos más pequeños parecían mucho más simples que los grandes y espectaculares discos que ALMA hizo famosos. Lo que encontramos es que al menos parte de esa diferencia era una ilusión causada por la resolución”, explica Curone. “Cuando observamos con suficiente detalle, comienzan a aparecer anillos, surcos y cavidades, incluso en estos diminutos sistemas”.

El resultado sugiere que los discos compactos podrían no constituir un entorno de formación planetaria fundamentalmente distinto. Muchos podrían contener los mismos tipos de estructuras que se encuentran en discos más grandes, pero concentradas en regiones de apenas unas pocas unidades astronómicas de extensión.

Esto es especialmente importante porque las regiones exploradas en este estudio se aproximan mucho más a las escalas orbitales de numerosos sistemas planetarios conocidos. Los estudios anteriores de ALMA de alta resolución han logrado distinguir principalmente estructuras situadas a distancias de varias decenas de unidades astronómicas de sus estrellas. Sin embargo, muchos exoplanetas se encuentran mucho más cerca de ellas. Por eso, los discos compactos ofrecen una vía para investigar la formación planetaria en regiones que coinciden más estrechamente con los lugares donde finalmente se ubican muchos planetas.

“La pregunta central que nos planteamos era si los discos pequeños realmente carecían de estructuras o si sus detalles simplemente estaban más allá de nuestro límite de resolución”, explica Mulders, coautor del estudio. “Para responderla, comparamos las nuevas observaciones de discos compactos con estudios anteriores de ALMA sobre discos de formación planetaria”.

La comparación reveló que la detección de estructuras dependía en gran medida del nivel de detalle con el que se había observado cada disco. Entre los discos observados con suficiente resolución para identificar estructuras de manera confiable, se detectaron subestructuras en alrededor del 44 % de los discos extremadamente compactos con radios de entre 3 y 10 unidades astronómicas, y en cerca del 55 % de aquellos con radios de entre 10 y 30 unidades astronómicas. En los discos con radios superiores a 30 unidades astronómicas, la tasa de detección supera el 90 %.

El resultado sugiere que la escasez de anillos y surcos reportada anteriormente en discos pequeños se debía, al menos en parte, a una resolución angular insuficiente, más que a su ausencia real.

“Este es un buen ejemplo de cómo cambia nuestro entendimiento al mejorar la resolución. Un disco que parece uniforme al observarlo desde más lejos puede mostrar una rica estructura interna cuando logramos distinguir detalles separados por apenas unas pocas unidades astronómicas”, señala Pérez, coautora del estudio.

Estas estructuras son importantes porque el polvo de un disco protoplanetario no permanece simplemente en el lugar donde se originó. Las partículas sólidas tienden a perder momento angular y a desplazarse hacia el interior, hacia la estrella. Sin algún mecanismo que frene esa migración, los granos de tamaño milimétrico podrían desaparecer de la parte exterior del disco en un plazo mucho más breve que el de la vida del propio disco.

Los anillos y los surcos pueden indicar cambios en la presión del gas que atrapa esas partículas. Al frenar o detener su desplazamiento hacia el interior, estas trampas de presión pueden mantener concentraciones de material sólido y crear condiciones favorables para el crecimiento de los planetas.

“Nuestras nuevas observaciones con ALMA sugieren que estas trampas pueden existir a solo unas pocas unidades astronómicas de las estrellas jóvenes, incluso en discos extremadamente compactos», señala van der Marel, coautora del estudio. «Una posible explicación de algunos de los surcos recién detectados es que hayan sido creados por planetas jóvenes”.

El equipo estimó qué tipos de planetas podrían producir las estructuras observadas, suponiendo que cada surco fuera causado por un solo planeta. Para las estructuras situadas a menos de cinco unidades astronómicas de la estrella, las masas necesarias se encuentran en el rango asociado a las supertierras y los minineptunos. Estos posibles planetas tendrían combinaciones de masa y distancia orbital difíciles de explorar tanto con los estudios actuales de exoplanetas como con las observaciones de discos centradas en escalas orbitales mucho mayores.

“Si algunos de estos espacios son producto de planetas, podríamos estar viendo las huellas de planetas de masa relativamente baja mientras aún se están formando, a distancias orbitales que hasta ahora han sido muy difíciles de explorar”, añade Curone.

El equipo advierte que los anillos, los surcos y las cavidades no constituyen, por sí mismos, detecciones directas de planetas. Varios mecanismos físicos pueden generar estructuras en los discos protoplanetarios, y las observaciones actuales no descartan por completo explicaciones que no involucren planetas. El equipo encuentra que un origen planetario es compatible con las estructuras detectadas en varios discos, pero se requieren más observaciones para determinar qué las produce.

Las observaciones también revelaron otra sorpresa. Dos de los sistemas aparentemente compactos, Sz 73 y Sz 130, presentan anillos débiles que se extienden mucho más allá de sus brillantes discos centrales. Otros cuatro sistemas muestran posibles indicios de una emisión exterior similar. Esto plantea la posibilidad de que algunos discos clasificados como muy pequeños contengan material más extendido que ha permanecido oculto por su débil emisión.

En conjunto, los resultados apuntan a una visión de los discos protoplanetarios como parte de un continuo. Los discos grandes y los compactos podrían compartir muchas de las mismas estructuras básicas y procesos físicos, y diferenciarse principalmente en las escalas en las que estos se manifiestan.

Al distinguir estructuras de apenas unas pocas unidades astronómicas de extensión, ALMA comienza a conectar las observaciones de discos de formación planetaria con la configuración de los sistemas planetarios maduros. Futuras observaciones de alta resolución de más discos compactos, a distintas longitudes de onda y utilizando trazadores tanto del polvo como del gas, ayudarán a determinar cuán comunes son estas estructuras ocultas y si realmente señalan los lugares donde se forman los planetas que finalmente surgirán de ellas.

Información adicional

Esta investigación se presenta en el artículo «Probing Planet Formation within 10 au: Dust Substructures in Extremely Compact Protoplanetary Disks», de P. Curone y su equipo, publicado en The Astrophysical Journal Letters.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS) de Japón, 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 Investigación de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (NSTC) de Taiwán; y por NINS, en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto Coreano de Astronomía y Ciencias Espaciales (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son lideradas por ESO en representación de sus Estados Miembros; por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO), administrado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), en representación de Asia del Este. El Observatorio Conjunto ALMA (JAO) proporciona el liderazgo y la gestión unificados de la construcción, la puesta en marcha y la operación de ALMA.

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