Las extrañas órbitas de los discos planetarios de ‘Tatooine’

19 marzo, 2020

Un equipo de astrónomos descubrió, gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), órbitas sorprendentes en discos protoplanetarios alrededor de estrellas binarias. Mientras los discos que giran alrededor de sistemas binarios compactos comparten el mismo plano, aquellos que rodean sistemas binarios más extensos presentan planos orbitales considerablemente inclinados. Estos sistemas pueden ayudarnos a entender mejor cómo se forman los planetas en entornos complejos.

En las últimas dos décadas, se han detectado miles de planetas que orbitan estrellas distintas de nuestro Sol. Algunos de ellos orbitan alrededor de dos estrellas, al igual que Tatooine, el hogar de Luke Skywalker. Los planetas se forman dentro de discos protoplanetarios (gracias a ALMA tenemos imágenes espectaculares de estos discos), pero la mayoría de los discos estudiados hasta ahora orbitan alrededor de estrellas solitarias.  Los exoplanetas como Tatooine, en cambio, se forman en discos que rodean estrellas binarias, por lo que se conocen como discos circumbinarios

El estudio de los lugares donde se forman planetas como Tatooine brinda una oportunidad única para entender cómo se forman los planetas en distintos entornos. Los astrónomos ya sabían que las órbitas de las estrellas binarias podían deformar e inclinar los discos que las rodean y producir discos circumbinarios desalineados con respecto al plano orbital de sus estrellas centrales. Por ejemplo, en un estudio realizado en 2019 por Grant Kennedy, de la Universidad de Warwick (Reino Unido), ALMA descubrió un sorprendente disco circumbinario en una configuración polar.

“Con nuestro estudio, queríamos conocer mejor las geometrías típicas de los discos circumbinarios”, cuenta Ian Czekala, astrónomo de la Universidad de California en Berkeley. Czekala y su equipo utilizaron datos de ALMA para determinar el grado de alineación de 19 discos protoplanetarios que giran alrededor de estrellas binarias. “Los datos de alta resolución obtenidos con ALMA fueron cruciales para estudiar algunos de los discos circumbinarios más pequeños y tenues observados a la fecha», explica Czekala.

Los astrónomos compararon los datos de ALMA con una docena de planetas similares a Tatooine descubiertos con el telescopio espacial Kepler. Para su sorpresa, el grado de desalineación entre las estrellas binarias y sus discos circumbinarios depende en gran medida del período orbital de las estrellas. Mientras menor sea el período orbital de la estrella binaria, mayor es la probabilidad de que tenga un disco alineado con su órbita. En tanto, las estrellas binarias con períodos superiores a un mes suelen tener discos desalineados.

“Se observa una clara superposición entre los discos pequeños, que orbitan binarias compactas, y los planetas circumbinarios observados por la misión Kepler”, señala Czekala. Debido a que la primera misión del telescopio Kepler duró cuatro años, los astrónomos solo pudieron descubrir planetas alrededor de estrellas binarias con órbitas mutuas de menos de 40 días. Todos ellos estaban alineados con las órbitas de sus estrellas anfitrionas. Quedó por determinar, pues, si había muchos planetas desalineados que el telescopio Kepler no logró encontrar. “Gracias a nuestro estudio, ahora sabemos que difícilmente pudo haber muchos planetas desalineados que se le escaparon al telescopio Kepler, puesto que los discos circumbinarios presentes alrededor de las estrellas binarias compactas generalmente también están alineados con dichas estrellas”, agrega Czekala.

Así y todo, sobre la base de estos hallazgos, los astrónomos consideran que los planetas que orbitan de forma desalineada alrededor de sistemas binarios extensos no escasean y que vale la pena seguir buscándolos con otros métodos de estudio de exoplanetas, como las imágenes directas y los microlentes. (La misión Kepler de la NASA usó el método del tránsito, comúnmente usado para buscar planetas.)

Ahora, Czekala quiere entender por qué hay una correlación tan fuerte entre la (des)alineación del disco y el período orbital de la estrella binaria. “Queremos usar instrumentos existentes y en construcción como ALMA y el Next Generation Very Large Array para estudiar la estructura de los discos con increíbles niveles de precisión, y tratar de entender cómo los discos deformados o inclinados afectan el entorno donde se forman los planetas y cómo esto podría influir en la población de planetas que se forman dentro de estos discos”, explica.

“Esta investigación es un gran ejemplo de cómo se hacen nuevos hallazgos a partir de observaciones anteriores”, celebra Joe Pesce, director de programa de la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. para el Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos (NRAO, en su sigla en inglés) y ALMA. “Si se pudo definir tendencias en la población de discos circumbinarios fue gracias a la existencia de archivos de observaciones realizadas por la comunidad astronómica que usó ALMA en ciclos anteriores”.


Información adicional

Ian Czekala trabajó con Eugene Chiang, de la Universidad de California en Berkeley; Sean Andrews, Guillerno Torres y David Wilner del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica; Eric Jensen, de Swarthmore College; Keivan Stassun, de la Universidad Vanderbilt; y Bruce Macintosh, de la Universidad Stanford.

Los astrónomos publicaron los resultados de su investigación en la revista The Astrophysical Journalhttps://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab287b.

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.

Imágenes

Ejemplos de dos discos protoplanetarios alineados y desalineados alrededor de estrellas binarias (discos protoplanetarios) observados con ALMA. Para facilitar la interpretación se dibujaron las órbitas de las estrellas binarias. Izquierda: en el sistema estelar HD 98800 B, el disco está desalineado con las estrellas binarias. Las estrellas orbitan una alrededor de la otra (en esta imagen, hacia nosotros y alejándose de nosotros) en 315 días. Derecha: en el sistema estelar AK Sco, el disco está alineado con la órbita de sus estrellas binarias. Las estrellas orbitan una alrededor de la otra en 13.6 días. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), I. Czekala y G. Kennedy; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello.
Ejemplos de dos discos protoplanetarios alineados y desalineados alrededor de estrellas binarias (discos protoplanetarios) observados con ALMA. Para facilitar la interpretación se dibujaron las órbitas de las estrellas binarias. Izquierda: en el sistema estelar HD 98800 B, el disco está desalineado con las estrellas binarias. Las estrellas orbitan una alrededor de la otra (en esta imagen, hacia nosotros y alejándose de nosotros) en 315 días. Derecha: en el sistema estelar AK Sco, el disco está alineado con la órbita de sus estrellas binarias. Las estrellas orbitan una alrededor de la otra en 13.6 días. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), I. Czekala y G. Kennedy; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello.
Representación artística de una doble puesta de sol en un exoplaneta de tipo Tatooine en proceso de formación en un disco circumbinario que se encuentra desalineado con las órbitas de sus estrellas binarias. Créditos: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello.
Representación artística de una doble puesta de sol en un exoplaneta de tipo Tatooine en proceso de formación en un disco circumbinario que se encuentra desalineado con las órbitas de sus estrellas binarias. Créditos: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello.

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