ALMA revela zonas de formación planetaria

16 diciembre, 2015

Astrónomos, haciendo uso del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), han descubierto los indicios más claros encontrados hasta ahora de la reciente formación de planetas con masas varias veces superiores a la de Júpiter en los discos de gas y polvo que rodean a cuatro estrellas jóvenes. Mediciones del gas presente alrededor de las estrellas también proporcionan pistas adicionales acerca de las propiedades de estos planetas.

Prácticamente todas las estrellas se encuentran rodeadas de planetas, pero los astrónomos aún no comprenden totalmente cómo, y en qué condiciones, se forman. Para responder a estas interrogantes, ellos estudian los discos giratorios de gas y polvo que se encuentran alrededor de estrellas jóvenes a partir de los cuales se forman estos cuerpos celestes. Pero estos discos son pequeños y están muy lejos de la Tierra, por lo que se necesitó de la potencia de ALMA para que develaran sus secretos.

Un tipo especial de discos, denominados discos de transición, presenta una sorprendente ausencia de polvo en su centro, en la región que rodea a la estrella. Se han propuesto dos ideas principales para explicar estos misteriosos vacíos. En primera instancia, los fuertes vientos estelares y la intensa radiación podrían haber arrastrado o destruido el material circundante [1]. Por otra parte, los masivos planetas jóvenes en proceso de formación podrían haber eliminado el material a medida que orbitan la estrella [2].

La incomparable sensibilidad y nitidez de imagen que entrega ALMA ya han permitido al equipo de astrónomos, liderado por Nienke van der Marel perteneciente al Observatorio de Leiden, en los Países Bajos, graficar la distribución de gas y polvo en cuatro de estos discos de transición como nunca antes se había logrado [3]. Como consecuencia, esto les permitió por primera vez seleccionar una de las dos alternativas como la causa de los vacíos.

Las nuevas imágenes muestran que existen cantidades significativas de gas dentro de los vacíos de polvo [4]. Sin embargo, para sorpresa del equipo, había también un vacío en el gas, hasta tres veces más pequeño que el del polvo.

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Impresión artística de disco de transición al rededor de joven estrella
Astrónomos encontraron, gracias a ALMA, evidentes diferencias entre el espacio dejado por el gas y aquel dejado por el polvo al rededor de cuatro jóvenes estrellas. Estas nuevas observaciones son, hasta ahora, los más claros reveladores de que planetas varias veces más masivos que Júpiterse han formado recientemente en los discos de transición de ellas. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Kornmesser

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Representación esquemática de un disco de transición al rededor de una joven estrella
Muestra como el polvo (en café) y el gas (en azul) se distribuye al rededor de la estrella, y como un planeta central está ‘limpiando’ el espacio central. Créditos: ESO/M. Kornmesser

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Imagen hecha por ALMA del disco de transición HD 135344B Esta imagen combina una vista del polvo alrededor de la joven estrella HD 135344B (naranjo) con una vista del material gaseoso (azul). La presencia de un espacio vacío en el centro del material gaseoso es un signo revelador de la presencia de un joven planeta limpiando el disco. El segmento en la parte inferior de la imagen indica el diámetro de la órbita de Neptuno en el Sistema Solar. Crédito: ALMA (ESO/NOAJ/NRAO) Crédito: ALMA (ESO/NOAJ/NRAO)

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Imagen hecha por ALMA del disco de transición DoAr 44 Esta imagen combina una vista del polvo alrededor de la joven estrella DoAr 44 (naranjo) con una vista del material gaseoso (azul). La presencia de un espacio vacío en el centro del material gaseoso es un signo revelador de la presencia de un joven planeta limpiando el disco. El segmento en la parte inferior de la imagen indica el diámetro de la órbita de Neptuno en el Sistema Solar. Crédito: ALMA (ESO/NOAJ/NRAO)

Esto sólo podría explicarse en un escenario en el que planetas masivos de reciente formación despejaron el gas a medida que se movían a lo largo de sus órbitas, pero atraparon las partículas de polvo en regiones más lejanas [5].

“Observaciones anteriores ya habían entregado indicios de la presencia de gas en el interior de los vacíos de polvo,” explica Nienke van der Marel. “Pero ya que ALMA puede entregar imágenes del material presente en todo el disco con mucho más detalle que otros observatorios, pudimos descartar el escenario alternativo. El gran vacío señala claramente la presencia de planetas con varias veces la masa de Júpiter, creando estas cavernas a medida que se mueven rápidamente a través del disco”.

De manera sorprendente, estas observaciones se llevaron a cabo utilizando sólo una décima parte del poder de resolución actual de ALMA, ya que se realizaron mientras la mitad del conjunto de antenas aún se encontraba en construcción en el llano de Chajnantor, en el norte de Chile.

Ahora otros estudios son necesarios para determinar si más discos de transición también apuntan hacia este mismo escenario, aunque las observaciones de ALMA ya han proporcionado a los astrónomos una nueva y valiosa información acerca del complejo proceso de la formación planetaria.

“Todos los discos de transición estudiados hasta ahora con grandes cavidades de polvo también presentan cavidades de gas. Así, con ALMA, podemos ahora descubrir dónde y cuándo nacen planetas gigantes en estos discos, y comparar estos resultados con los modelos de formación planetaria», dice Ewine van Dishoeck, también de la Universidad de Leiden y del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching [6]. “La detección de planetas de manera directa está prácticamente al alcance de los instrumentos actuales, y los telescopios de la próxima generación que se encuentran ahora en construcción, como el European Extremely Large Telescope, serán capaces de llegar mucho más lejos. ALMA les está indicando hacia dónde deben mirar”.

Impresión artística animada de disco de transición al rededor de joven estrella
Astrónomos encontraron, gracias a ALMA, evidentes diferencias entre el espacio dejado por el gas y aquel dejado por el polvo al rededor de cuatro jóvenes estrellas. Estas nuevas observaciones son, hasta ahora, los más claros reveladores de que planetas varias veces más masivos que Júpiterse han formado recientemente en los discos de transición de ellas. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Kornmesser

Representación esquemática animada de un disco de transición al rededor de una joven estrella
Muestra como el polvo (en café) y el gas (en azul) se distribuye al rededor de la estrella, y como un planeta central está ‘limpiando’ el espacio central. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Kornmesser

Notas

[1] Este proceso, que despeja el polvo y el gas desde adentro hacia afuera, se conoce como fotoevaporación.

[2] Estos planetas son difíciles de observar directamente y los estudios anteriores en longitudes de onda milimétricas no pudieron entregar una vista nítida de sus zonas interiores de formación planetaria donde estas diferentes explicaciones podrían ponerse a prueba. Otros estudios no pudieron medir el volumen del gas en estos discos.

[3] Los cuatro objetivos de estas investigaciones fueron SR 21, HD 135344B (también conocido como SAO 206462), DoAr 44 y Oph IRS 48.

[4] El gas presente en los discos de transición está compuesto principalmente por hidrógeno, y se puede rastrear a través de observaciones de la molécula de monóxido de carbono (o CO).

[5] El proceso de captura de polvo se explica en un anuncio anterior.

[6] Otros ejemplos incluyen los discos de transición HD 142527 y J1604-2130.

Más información

Esta investigación fue presentada en un artículo titulado “Resolved gas cavities in transitional disks inferred from CO isotopologs with ALMA” (Cavidades de gas resueltas en discos de transición inferidas a partir de isotopólogos de CO con ALMA), escrito por N. van der Marel y colaboradores, que aparecerá en la publicación Astronomy & Astrophysics en diciembre de 2015.

El equipo está compuesto por N. van der Marel (Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos; Instituto de Astronomia, Universidad de Hawái, Honolulu, EEUU), E. F. van Dishoeck (Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos; Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemania), S. Bruderer (Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemania), S. M. Andrews (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Massachusetts, EEUU), K. M. Pontoppidan (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland, EEUU), G. J. Herczeg (Universidad de Pekín, Beijing, China), T. van Kempen (Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos) y A. Miotello (Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos).

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.

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