ALMA revela huellas de jóvenes planetas en disco de gas

24 Mayo, 2016 / Tiempo de lectura: 7 minutes

Un nuevo análisis de los datos de HL Tauri recabados con ALMA arrojó indicios aún más fehacientes de la presencia de jóvenes planetas alrededor de la estrella. Los investigadores descubrieron dos vacíos en el disco de gas que rodea la estrella, en lugares que coinciden con los vacíos observados en el polvo en la imagen de alta resolución obtenida por ALMA en 2014. De este hallazgo se desprende que los planetas se forman mucho más rápido de lo que se pensaba, y los científicos han debido plantearse teorías alternativas sobre formación planetaria.

En noviembre de 2014, ALMA publicó una deslumbrante imagen de HL Tauri y su disco de polvo que presentaba un nivel de definición sin precedentes para este tipo de objeto, y donde se aprecian claramente varios vacíos en el disco.

Imagen 1. Imagen del disco de polvo presente alrededor de HL Tauri obtenida por ALMA. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Los astrónomos todavía no tienen una explicación definitiva sobre la existencia de estos vacíos. Puesto que en estos discos se forman planetas, algunos astrónomos postulan que los vacíos son provocados por planetas en proceso de formación que atraen o barren el polvo al describir su órbita.

Otros ponen en duda esta teoría, puesto que HL Tauri tendría apenas un millón de años, mientras que en estudios anteriores se había inferido que los planetas tardan varias decenas de millones de años para formarse a partir de pequeñas partículas de polvo. Según ellos, hay otros fenómenos que podrían explicar la presencia de estos vacíos, como una variación en el tamaño de los granos de polvo por fusión o destrucción, o bien la formación de polvo mediante el congelamiento de moléculas de gas.

Ahora se necesitan más datos para saber quién tiene razón. Se sabe que los discos que rodean las jóvenes estrellas contienen gas, además de polvo. De hecho, por lo general hay 100 veces más gas que polvo. El equipo de investigación encabezado por el Dr. Hsi-Wei Yen, del Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica, en Taiwán, y el profesor Shigehisa Takakuwa, de la Universidad de Kagoshima, en Japón, concentraron su estudio en la distribución del gas en el disco para entender mejor la verdadera naturaleza de este último. Si los vacíos fueran provocados por la variación en la composición del polvo, no habría una incidencia directa en el gas, y por lo tanto este no presentaría vacíos. Por otro lado, si los vacíos de polvo fueran causados por la gravedad de los planetas en formación, la gravedad también generaría vacíos en el gas.

Incluso contando con los beneficios de la sensibilidad sin precedentes de ALMA, no fue fácil revelar la distribución del gas en el disco. Para ello, el equipo analizó las emisiones de las moléculas de HCO+ en los datos de la Campaña de Línea de Base de ALMA, recabados en 2014 y puestos a disposición del público, a las que agregó las emisiones de los anillos de la estrella para incrementar la sensibilidad. Esta novedosa técnica de análisis permitió obtener la imagen más nítida a la fecha de la distribución de gas alrededor de una estrella joven.

La imagen de la distribución de HCO reveló al menos dos vacíos en el disco, en los radios de 28 y 69 unidades astronómicas. “Para nuestra sorpresa, resulta que los vacíos presentes en el gas coinciden con los que se observan en el polvo”, afirma Yen, autor principal de un artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters. “Este hecho confirma la teoría de que los vacíos son la huella de planetas jóvenes”, explica. El hecho de que los vacíos en el polvo y en el gas coincidan implica que la cantidad de material presente allí probablemente disminuye, lo cual contradice las teorías que atribuyen la existencia de los vacíos únicamente a alteraciones en las partículas de polvo. Una disminución en la cantidad de material, en cambio, avala la teoría de la formación de planetas, pese a que HL Tauri sea tan joven. “Según nuestros resultados, los planetas comienzan a formarse mucho antes de lo que pensábamos”, concluye Yen.

Imagen 2. Distribuciones del gas de HCO+ (azul) y el polvo (rojo) en el disco alrededor de HL Tauri. Los círculos muestran la ubicación de los vacíos (radios de 30 y 70 UA). Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Yen et al.

Imagen 3. Impresión artística de HL Tauri. La estrella está rodeada por el disco (en rojo) y un espeso envoltorio y expulsa un jet bipolar. Crédito: Yin-Chih Tsai/ASIAA EPO

El equipo también descubrió que el gas es lo suficientemente denso como para albergar un joven planeta en el vacío más cercano a la estrella. Al comparar la estructura de dicho vacío con los modelos teóricos, el equipo calculó que el planeta tiene una masa equivalente a 0,8 masas de Júpiter.

El origen del vacío más alejado, en cambio, todavía es una incógnita. El equipo también postuló la existencia de un planeta 2,1 veces más masivo que Júpiter, pero la investigación actual no permite descartar del todo la posibilidad de que el vacío sea generado por el roce entre las partículas de polvo y el gas. Para resolver esta duda se necesitan más datos.

“Nuestro estudio demuestra claramente que se pueden hacer grandes hallazgos aplicando nuevas técnicas de análisis a datos existentes, lo cual incrementa más aún el tremendo potencial científico de ALMA”, comenta Takakuwa. “Pretendemos elaborar un modelo sistemático de la formación planetaria aplicando el mismo método a los datos correspondientes a otras estrellas jóvenes”.

Información adicional

Los resultados de este estudio se publicaron en el artículo de Yen et al. titulado “Gas Gaps in the Protoplanetary Disk around the Young Protostar HL Tau” (‘Vacíos en el gas de disco protoplanetario alrededor de la joven protoestrella HL Tau’) en la edición de abril de 2016 de la revista The Astrophysical Journal Letters.

Los miembros del equipo de investigación son:

Hsi-Wei Yen (Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica, Taiwán), Hauyu Baobab Liu (Organización Europea para la Investigación Astronómica en el Hemisferio Austral, Alemania), Pin-Gao Gu y Naomi Hirano (Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica, Taiwán), Evaria Puspitaningrum (Institut Teknologi Bandung, Indonesia) y Shigehisa Takakuwa (Universidad de Kagoshima, Japón).

Esta investigación cuenta con el apoyo del Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán.

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.