ALMA descubre inesperadas concentraciones de gas alrededor de grandes estrellas
25 Agosto, 2016 / Tiempo de lectura: 9 minutes
Artículo científico Publicación ALMA KidsUn equipo de astrónomos usó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para observar un grupo de estrellas jóvenes (algunas similares a nuestro Sol y otras prácticamente con el doble del tamaño) y descubrió que las estrellas más grandes tienen cantidades sorprendentemente abundantes de gas de monóxido de carbono en sus discos residuales. En contraste, los discos de las estrellas de menor masa, más parecidas al Sol, prácticamente no tienen gas.
El hallazgo contradice las predicciones de los investigadores, que dicen que las fuertes radiaciones de estrellas más grandes deberían despejar los residuos más rápido que las radiaciones más tenues de estrellas más pequeñas. Además, podría dar nuevas luces sobre el tiempo de formación de planetas gigantes alrededor de estrellas jóvenes.
Los discos de residuos suelen encontrarse alrededor de las estrellas cuyos discos protoplanetarios de polvo y gas han dado nacimiento a planetas, asteroides, cometas y otros planetesimales. Sin embargo, alrededor de estrellas jóvenes, muchos de estos objetos recién formados todavía deben adoptar órbitas estables y entran en colisión periódicamente, produciendo suficientes residuos para producir un disco de residuos de “segunda generación”.
“Las mediciones espectroscópicas anteriores de los discos de residuos habían revelado que algunos de ellos tienen una composición química inesperada que delata una superabundancia de gas de monóxido de carbono”, señala Jesse Lieman-Sifry, autor principal de un artículo publicado en The Astrophysical Journal. Cuando se realizaron las observaciones, Lieman-Sifry era estudiante de pregrado de la Wesleyan University, en Middletown (Connecticut, EE. UU.). “El hallazgo fue una sorpresa, puesto que los astrónomos creían que este gas tendría que haber desaparecido mucho antes de que hayan señales de un disco de residuos”, explica.
Representación artística de un disco de residuos que rodea una estrella en la Asociación Escorpio-Centauro. Las observaciones realizadas con ALMA revelaron que, al contrario de lo que se preveía, las estrellas más masivas de esta zona retienen cantidades considerables de gas de monóxido de carbono. Este hallazgo podría dar nuevas luces sobre el tiempo de formación de planetas gigantes alrededor de estrellas jóvenes. Créditos: NRAO/AUI/NSF; D. Berry / SkyWorks. | Descargar imagen
En busca de pistas que ayudaran a explicar por qué algunas estrellas tienen discos con mucho gas, Lieman-Sifry y su equipo observaron 24 sistemas estelares en la Asociación Escorpio-Centauro. Esta aglomeración estelar dispersa, ubicado a unos pocos cientos de años luz de la Tierra, contiene cientos de estrellas de baja y mediana masa. Como referencia, los astrónomos consideran que nuestro Sol es una estrella de baja masa.
Los astrónomos limitaron su búsqueda a estrellas de entre cinco y diez millones de años de edad (lo suficientemente antiguas como para tener sistemas planetarios y discos de residuos bien desarrollados) y usaron ALMA para examinar las emisiones en longitudes de onda milimétricas emitidas por el monóxido de carbono presente en sus discos de residuos.
El equipo hizo su estudio durante seis noches en total, entre diciembre de 2013 y diciembre de 2014, observando no más de diez minutos por noche. Una vez terminado, era el estudio interferométrico más detallado que se había hecho a la fecha de discos de residuos estelares en longitudes milimétricas.
Imagen obtenida con ALMA del disco de residuos que rodea la estrella conocida como HIP 73145, en la Asociación Escorpio-Centauro. La zona verde corresponde al gas de monóxido de carbono que inunda el disco de residuos. La zona roja representa la luz emitida en longitudes de onda milimétricas por el polvo que rodea la estrella central. Se calcula que HIP 73145 tiene cerca del doble de la masa de nuestro Sol. El disco de este sistema se extiende bastante más allá de la órbita de Neptuno en nuestro Sistema Solar, representada aquí a modo de comparación. También se destacó la ubicación de la estrella central como referencia. Créditos: J. Lieman-Sifry, et al., ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); B. Saxton (NRAO/AIU/NSF). | Descargar imagen
Gracias a los datos extraordinariamente completos que lograron recabar con estas observaciones, los astrónomos descubrieron la mayor cantidad de discos observados hasta entonces en un mismo estudio. De 24 discos estudiados, tres presentaban emisiones de monóxido de carbono intensas. Para su sorpresa, los tres discos rodeaban estrellas casi el doble de masivas que el Sol. Ninguna de las 16 estrellas más pequeñas y similares a nuestro Sol parecían tener discos con grandes cantidades de monóxido de carbono. De estas observaciones se desprende que las estrellas más grandes son más propensas a guardar grandes cantidades de gas que las estrellas similares al Sol.
Lo sorprendente de este hallazgo es que las estrellas más masivas inundan sus sistemas planetarios con una intensa radiación ultravioleta que debería destruir todo el monóxido de carbono restante en los discos de residuos. No obstante, este estudio demuestra que las estrellas más grandes de alguna forma logran preservar o reponer sus reservas de monóxido de carbono.
“No sabemos a ciencia cierta si estas estrellas están logrando mantener sus reservas de gas por mucho más tiempo de lo esperado o si se trata de una ‘última bocanada’ de gas de segunda generación producida por la colisión de cometas o la evaporación de capas de polvo heladas”, explica Meredith Hughes, también astrónoma de la Wesleyan University y coautora del estudio.
Según Hughes, la existencia de este gas podría cumplir un papel importante en la formación planetaria. El monóxido de carbono es un componente clave de las atmósferas de planetas gigantes, y su presencia en los discos de residuos también podría delatar la existencia de otros gases como el hidrógeno, aunque quizás en concentraciones mucho más bajas. Si algunos discos de residuos son capaces de contener cantidades considerables de gas, el proceso de formación de planetas gigantes podría demorar mucho más de lo que se cree, especulan los astrónomos.
Imagen obtenida con ALMA del disco de residuos que rodea la estrella conocida como HIP 73145, en la Asociación Escorpio-Centauro. La zona verde corresponde al gas de monóxido de carbono que inunda el disco de residuos. La zona roja representa la luz emitida en longitudes de onda milimétricas por el polvo que rodea la estrella central. Se calcula que HIP 73145 tiene cerca del doble de la masa de nuestro Sol. El disco de este sistema se extiende bastante más allá de la órbita de Neptuno en nuestro Sistema Solar. Créditos: J. Lieman-Sifry, et al., ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); B. Saxton (NRAO/AIU/NSF). | Descargar imagen
“Con nuevas observaciones en alta resolución de estos sistemas ricos en gas los astrónomos quizás podrían determinar la ubicación del gas en el disco y, de esa forma, entender mejor el origen del gas”, anticipa el coautor del estudio Antonio Hales, astrónomo de operaciones de ALMA en Chile y del Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos, ubicado en Charlottesville (Virginia). “Por ejemplo, si el gas es producido por las colisiones de los planetesimales, es de esperar que sea más abundante en las zonas del disco donde se producen esos impactos. ALMA es el único instrumento capaz de obtener imágenes con una resolución tan alta”.
Según Lieman-Sifry, estos discos de polvo son tan diversos como los sistemas planetarios a los que pertenecen. El hallazgo de que las estrellas más grandes guardan el monóxido de carbono con más celo que sus hermanas más pequeñas y similares al Sol constituye un paso más para entender el papel que desempeña este gas en los sistemas planetarios.
Cuatro de los 24 discos de residuos de la Asociación Escorpio-Centauro observados por ALMA. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que las estrellas más grandes y energéticas retenían mucho más gas en sus discos de residuos que las estrellas más pequeñas y similares al Sol. Créditos: Lieman-Sifry et al. ALMA | Descargar imagen
Información adicional
Esta investigación se detalla en el artículo titulado “Debris disks in the Scorpius-Centaurus OB association resolved by ALMA” (‘Discos de residuos en la Asociación Escorpio-Centauro OB observados por ALMA’) de J. Lieman-Sifry et al., publicado en The Astrophysical Journal el 23 de agosto de 2016. [Versión preliminar: https://arxiv.org/abs/1606.07068]
El equipo está compuesto por Jesse Lieman-Sifry (Wesleyan Univ., Middletown, Connecticut), A. Meredith Hughes (Wesleyan Univ., Middletown, Connecticut), John M. Carpenter (Instituto de Tecnología de California, Pasadena), Uma Gorti (SETI Institute, Mountain View, California), Antonio Hales (Joint ALMA Observatory, Santiago de Chile, y Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos, Charlottesville, Virginia) y Kevin M. Flaherty (Wesleyan Univ., Middletown, Connecticut).
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.