Comunicados de Prensa

ALMA observa las profundidades de caótica incubadora planetaria

17 Junio, 2021 / Tiempo de lectura: 11 minutes

Artículo científico

La formación de planetas sigue siendo un misterio. Los astrónomos han estado estudiando discos protoplanetarios durante décadas, tratando de resolver los detalles de la génesis planetaria. Gracias a ALMA, por primera vez un equipo de científicos, observó profundamente en las estructuras espirales del enorme disco protoplanetario de Elías 2-27, una estrella joven a 378 años luz de distancia, en la constelación de Ofiuco. Los investigadores creen que las inestabilidades gravitacionales son el origen de las espirales más que la interacción con un planeta o estrella acompañante. Los resultados de este estudio aparecieron hoy en el Astrophysical Journal.

Discos de gas y polvo rodean a las estrellas jóvenes recién formadas. Se llaman discos protoplanetarios y los astrónomos esperan que los planetas se desarrollen en ellos dentro de los primeros 10 millones de años de vida de las estrellas.

"Cómo se forman exactamente los planetas es una de las principales preguntas en astronomía. Sin embargo, hay algunos mecanismos clave que creemos pueden impulsar el proceso", explica Teresa Paneque Carreño, exalumna de Astronomía de la Universidad de Chile que ahora está haciendo su PhD en la ESO en Garching, Alemania, e investigadora principal de este estudio. "Uno de estos mecanismos son las inestabilidades gravitacionales, un proceso que ocurre cuando el disco es lo suficientemente masivo como para que su gravedad se vuelva relevante en la forma en que las partículas interactúan entre sí". Las inestabilidades gravitacionales pueden hacer que el disco se fragmente en pequeños grupos, que podrían convertirse en planetas gigantes muy rápidamente.

Las características únicas de Elías 2-27 lo han hecho popular entre los científicos de ALMA durante más de media década. Un equipo dirigido por Laura Pérez de la Universidad de Chile y coautora de esta nueva investigación descubrió, también utilizando ALMA, las espirales en el disco de Elías 2-27 en 2016. Pero no pudieron determinar el origen de las inestabilidades gravitacionales. Se necesitaban más observaciones en múltiples bandas de ALMA y trazadores de gas para explorar la estructura de las espirales tanto en gas como en polvo.

“Descubrimos en 2016 que el disco Elías 2-27 tenía una estructura diferente a otros sistemas ya estudiados. Algo que antes no se observaba en un disco protoplanetario: dos brazos espirales a gran escala. El origen de estas estructuras seguía siendo un misterio, y por lo tanto se necesitaban más observaciones", explica Pérez. "Y así, junto con colaboradores, planteamos una propuesta en ALMA para explorar simultáneamente tanto la emisión de gas como de polvo de este sistema. Este nuevo estudio se convirtió en el foco de la tesis de maestría de Teresa en la Universidad de Chile".

Cassandra Hall, profesora asistente de astrofísica computacional en la Universidad de Georgia, Estados Unidos, y coautora de la investigación, agregó que la confirmación de la asimetría vertical y las perturbaciones de velocidad, las primeras perturbaciones a gran escala vinculadas a la estructura espiral en un disco protoplanetario, podría tener implicaciones importantes para la teoría de la formación de planetas. "Esto podría ser una 'pistola humeante' de inestabilidad gravitacional, que puede acelerar algunas de las primeras etapas de la formación de planetas. Predijimos primero esta señal en 2020 (enlace al estudio en inglés). Desde el punto de vista de la astrofísica computacional es emocionante tener razón".

Paneque Carreño agregó que si bien la nueva investigación ha confirmado algunas teorías, también ha planteado más preguntas. "Si bien ahora se puede confirmar que las inestabilidades gravitacionales explican las estructuras espirales en el continuo de polvo que rodea a la estrella, también hay un espacio interno, o material faltante en el disco, para lo cual no tenemos una explicación clara".

"Las imágenes de alta resolución angular obtenidas con ALMA en múltiples longitudes de onda fueron clave para estudiar la morfología del disco y las propiedades del polvo", explica John Carpenter, científico jefe del observatorio ALMA y coautor de esta investigación. "La ubicación espacial de las partículas de distintos tamaños permite comprender los procesos de crecimiento del polvo e inferir el origen de la morfología en espiral".

Además, la alta sensibilidad de ALMA permitió al equipo estudiar las perturbaciones cinemáticas y los procesos dinámicos trazados por emisión molecular. Usando dos moléculas como trazadoras (13CO y C18O), encontraron que el disco estaba muy perturbado y rodeado por emisiones de gas a gran escala producidas por material más allá de la extensión del disco principal de polvo y gas.

“Nos sorprendió encontrar perturbaciones verticales en el gas del disco. Esto no se había observado antes en este tipo de fuente”, dice Paneque Carreño. "Las perturbaciones son demasiado grandes para ser explicadas por un compañero. La estructura vertical asimétrica del disco probablemente esté relacionada con la caída de material en curso, lo que muestra cuán caóticos son los sitios de formación de planetas".

Una de las barreras para comprender la formación de planetas era la falta de medición de masa directa de los discos protoplanetarios, un problema abordado en la nueva investigación. La alta sensibilidad de ALMA permitió al equipo estudiar más de cerca los procesos dinámicos, la densidad e incluso la masa del disco. "Anteriormente, las mediciones de masa de los discos protoplanetarios eran indirectas, basadas solo en polvo o isotopólogos raros. Con estas nuevas observaciones, somos sensibles a toda la masa del disco", dijo Benedetta Veronesi, estudiante de posgrado en la Universidad de Milán, Italia, e investigadora de la École Normale Supérieure de Lyon, Francia, y autora principal de un segundo artículo. "Este hallazgo sienta las bases para el desarrollo de un método para medir la masa del disco que nos permitirá romper una de las barreras más grandes y apremiantes en el campo de la formación de planetas. Conocer la cantidad de masa presente en los discos que forman planetas permite determinar la cantidad de material disponible para la formación de sistemas planetarios y comprender mejor el proceso por el cual estos se forman".

Aunque el equipo ha respondido muchas preguntas importantes sobre el papel de la inestabilidad gravitacional y la masa del disco en la formación de planetas, el trabajo aún no está terminado. "Estudiar cómo se forman los planetas es difícil porque se necesitan millones de años para formar planetas. Esta es una escala de tiempo muy corta para las estrellas, que viven miles de millones de años, pero un proceso muy largo para nosotros", dijo Paneque Carreño. "Lo que podemos hacer es observar estrellas jóvenes, con discos de gas y polvo a su alrededor, y tratar de explicar por qué estos discos de material tienen el aspecto que tienen. Es como mirar la escena de un crimen e intentar adivinar qué sucedió. El análisis junto con el futuro análisis en profundidad de Elías 2-27 nos permitirá caracterizar exactamente cómo actúan las inestabilidades gravitacionales en los discos de formación de planetas y obtener más información sobre cómo se forman los planetas ".

Información adicional

Los resultados de esta investigación fueron publicados hoy en el TheAstrophysical Journal como “Spiral Arms and a Massive Dust Disk with non-Keplerian Kinematics: Possible Evidence for Gravitational Instability in the Disk of Elias 2-27” [Brazos espirales y un disco de polvo masivo con cinemática no kepleriana: posible evidencia de inestabilidad gravitacional en el disco de Elías 2-27] de T. Paneque Carreño et al; y “A dynamical measurement of the disk mass in Elias 2-27” [Una medición dinámica de la masa del disco en Elías 2-27] de B. Veronesi et al.

Otro comunicado de prensa sobre esta investigación fue publicado por el Observatorio Radioastronómico Nacional de los Estados Unidos (NRAO), socio de ALMA en nombre de América del Norte.

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