ALMA descubre estructuras en joven disco protoplanetario que son indicios claros de formación planetaria

20 Junio, 2018 / Tiempo de lectura: 7 minutes

Los astrónomos utilizaron el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para descubrir fuertes síntomas de la presencia de planetas en el joven disco protoplanetario que rodea la estrella MWC 758. Obtuvieron una imagen de ultra alta resolución que muestra que el disco no solo tiene una cavidad alejada del centro, sino además un brazo en espiral que corresponde a otro previamente detectado en luz reflejada.

“¿Qué es lo que da origen a los distintos tipos de estructuras que vemos en discos protoplanetarios jóvenes? ¡Hace más de un decenio que esta pregunta viene inquietando a los astrónomos!”, comentó el autor principal de la investigación, Ruobing Dong, de la Universidad de Arizona (EE. UU.) y el Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica (ASIAA), de Taiwán. Y agregó: “Nuestras observaciones revelan una gran cantidad de detalles emocionantes sobre este sistema y proporcionan pistas fundamentales para entender sus orígenes”.

Emisión continua de 0,87 mm del disco de la estrella MWC 758 observada con ALMA

Desde principios del año 2000, en algunas decenas de discos que rodean a estrellas recién nacidas se han descubierto estructuras ricas, como surcos y anillos, aglomeraciones de polvo y otras en forma de brazo en espiral. Dado que se cree que los planetas se forman dentro de los discos, los astrónomos han denominado a estos últimos “discos protoplanetarios”.

El origen de estas estructuras es objeto de un acalorado debate entre los astrónomos. Una explicación posible es que son producidas por planetas ocultos que se forman dentro de los discos anfitriones e interactúan con ellos gravitacionalmente, dado que los planetas abren surcos, esparcen aglomeraciones de polvo y generan brazos en espiral.

También se contemplan modos alternativos de generación de estructuras que no involucran planetas. Por ejemplo, las grandes cavidades centrales pueden deberse a la fotoevaporación, ya que las altas radiaciones de energía que emanan de la estrella central evaporan el disco interno. En ciertas condiciones, además, las sombras presentes en los discos pueden imitar los brazos en espiral que se observan en luz reflejada.

El disco protoplanetario alrededor de una joven estrella MWC 758 se sitúa a 500 años luz de distancia. En 2012, se descubrieron un par de brazos en espiral gigantes y cuasisimétricos en luz reflejada. En emisiones térmicas de polvo y de línea de gas molecular en longitudes de onda milimétricas también se han hallado un agujero central de gran tamaño y dos aglomeraciones de polvo importantes.

Ahora, con la nueva imagen de ALMA, se ha visto que la cavidad ya detectada de MWC 758 está alejada del centro de la estrella y presenta una forma de elipse bien definida, con un foco en la estrella. Además, una emisión de polvo milimétrica concuerda muy bien con uno de los dos brazos en espiral vistos previamente en luz reflejada. Ambos descubrimientos son los primeros en discos protoplanetarios.

“¡La MWC 758 es una especie rara!”, dice Sheng-Yuan Liu de ASIAA, coautor del estudio. “En este sistema hemos encontrado todos los tipos principales de estructuras de discos, lo que nos revela uno de los más completos conjuntos de pruebas acerca de la formación de planetas en todos los discos protoplanetarios”.

En el 2015, el Dr. Dong y sus colaboradores habían planteado que los dos brazos del disco de la MWC 758 eran producidos por un súper júpiter inmediatamente fuera del disco.

Otro de los autores de la investigación, el Dr. Takayuki Muto, de la Universidad Kogakuin (Japón), comenta: “Nuestras nuevas observaciones con ALMA son un fuerte indicio de los orígenes planetarios de todas las estructuras. Por ejemplo, es fascinante ver elipses con un foco en la estrella. ¡Eso es la primera ley de Kepler! E indica un origen dinámico, una posible interacción con planetas”.

Se señalan varias estructuras de disco. Las líneas punteadas verdes señalan los límites del disco; el círculo pequeño en el centro indica la ubicación aproximada de la estrella; las dos líneas verdes continuas representan la extensión de las dos aglomeraciones brillantes; los arcos blancos continuos, punteados y discontinuos marcan los anillos interiores, medios y exteriores respectivamente; y la flecha señala el brazo en espiral. La resolución (tamaño del haz, ~6,5 UA) de la imagen se halla en la esquina inferior izquierda.

Por otro lado, la cavidad alejada del centro lleva a descartar explicaciones alternativas como la fotoevaporación, que no presenta una dependencia azimutal.

El hecho de que la rama sur del espiral esté presente en la emisión milimétrica del polvo determina que es un brazo denso. No se espera que puedan reproducirse las observaciones mediante otros escenarios posibles, como las sombras, que consideran a los brazos en espiral como características de la superficie. La ultra alta resolución que se ha obtenido en el nuevo paquete de datos de ALMA también permite la detección de un leve desfase entre las ubicaciones de los brazos en luz reflejada y en emisión de polvo; esto coincide con modelos de ondas de densidad inducidas por planetas.

“Solo es posible detectar estos fascinantes detalles nuevos gracias a la increíble resolución angular de ALMA”, afirma el coautor Eiji Akiyama, de la Universidad de Hokkaido (Japón). “Hemos aprovechado al máximo las capacidades de línea de base larga de ALMA, y ahora el disco de la MWC 758 se une al selecto club de los discos de ALMA de ultra alta resolución, un club que tiene solo unos pocos miembros”.

Información adicional

Esta investigación se presentó en el artículo científico de Dong et al. “The Eccentric Cavity, Triple Rings, Two-Armed Spirals, and Double Clumps of the MWC 758 Disk”, que se publicará en The Astrophysical Journal.

Integran el equipo Ruobing Dong (U. de Arizona, EE. UU.; ASIAA, Taiwán), Sheng-yuan Liu (ASIAA, Taiwán), Josh Eisner (University de Arizona, EE. UU.), Sean Andrews (Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, EE. UU.), Jeffrey Fung (UC Berkeley, EE. UU.), Zhaohuan Zhu (UNLV, EE. UU.) Eugene Chiang (UC Berkeley, EE. UU.), Jun Hashimoto (Centro de Astrobiología, NINS, Japón), Hauyu Baobab Liu (Organización Europea para la Investigación Astronómica en el Hemisferio Austral, Alemania), Simón Casassus (U. de Chile, Chile), Thomas Esposito (UC Berkeley, EE. UU.), Yasuhiro Hasegawa (JPL/Caltech, EE. UU.), Takayuki Muto (Universidad de Kogakuin, Japón), Yaroslav Pavlyuchenkov (Academia de Ciencias de Rusia, Rusia), David Wilner (Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, EE. UU.), Eiji Akiyama (Universidad de Hokkaido, Japón), Motohide Tamura (Universidad de Tokio; Centro de Astrobiología, NINS, Japón), y John Wisniewski (U. de Oklahoma, EE. UU.).

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.