Cómo las estrellas recién nacidas se preparan para el nacimiento de los planetas

20 Febrero, 2020 / Tiempo de lectura: 10 minutes

Un equipo internacional de astrónomos usó dos de los radiotelescopios más poderosos del mundo, ALMA y el VLA, para generar más de 300 imágenes de discos protoplanetarios que rodean jóvenes estrellas de las nubes de Orión. Estas imágenes revelan nuevos detalles sobre los lugares donde se forman los planetas y las primeras etapas de los procesos de formación estelar.

La mayoría de las estrellas del Universo están acompañadas de planetas. Estos planetas nacen en anillos de polvo y gas conocidos como discos protoplanetarios, e incluso las estrellas más jóvenes están rodeadas por estos discos. Los astrónomos buscan entender cómo exactamente estos discos empiezan a formarse y qué aspecto tienen. Sin embargo, las estrellas jóvenes emiten muy poca luz y están rodeadas de nubes de polvo y gas que funcionan como verdaderas incubadoras estelares. Por eso, solo los radiotelescopios más sensibles son capaces de detectar los diminutos discos que circundan a estas estrellas infantes en medio del denso material que compone estas nubes.

En este nuevo estudio, los astrónomos apuntaron el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), de la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos, a una región donde se forman muchas estrellas: las nubes moleculares de Orión. Se trata del estudio de estrellas y sus respectivos discos más ambicioso que se haya emprendido a la fecha, y se lo bautizó como VLA/ALMA Nascent Disk and Multiplicity (VANDAM).

Las estrellas muy jóvenes, también llamadas protoestrellas, se forman en nubes de polvo y gas en el espacio. La primera etapa de los procesos de formación estelar es el colapso de estas densas nubes debido a la gravedad. Al colapsar, estas nubes empiezan a girar hasta formar un disco plano alrededor de una protoestrella. La estrella crece alimentándose del material del disco, cuyos restos, con el tiempo, pueden terminar formando planetas.

Muchos de los aspectos de esta primera etapa de formación estelar, como la formación del propio disco, todavía no están del todo claros. Este estudio aporta nuevas pistas gracias al trabajo del VLA y de ALMA, que pudieron observar a través de las densas nubes y estudiar cientos de protoestrellas y sus discos en distintas etapas de formación.

Jóvenes discos protoplanetarios

“Este estudio reveló la masa y el tamaño promedios de estos discos protoplanetarios sumamente jóvenes”, celebra John Tobin, del Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos (NRAO) en Charlottesville (Virginia), quien dirige el equipo de investigación. “Ahora podemos compararlos con los discos más desarrollados, que también han sido muy estudiados con ALMA”.

Tobin y su equipo descubrieron que los discos más jóvenes pueden ser de tamaño similar pero, en promedio, mucho más masivos que los discos más viejos. “A medida que crecen, las estrellas consumen cada vez más material del disco. Por eso, los discos más jóvenes contienen mucho más material bruto a partir del cual se pueden formar los planetas. Alrededor de estrellas muy jóvenes pueden empezar a formarse los planetas más grandes”.

Cuatro protoestrellas especiales

Entre cientos de imágenes obtenidas, cuatro protoestrellas llamaron la atención de los científicos por su aspecto peculiar. “Estas estrellas recién nacidas tenían un aspecto muy irregular y amorfo”, explica la miembro del equipo, Nicole Karnath, quien estaba afiliada a la Universidad de Toledo (Ohio), y ahora se desempeña en el centro SOFIA de la NASA. “Creemos que se encuentran en una de las primeras etapas de formación, y es posible que algunas ni siquiera sean protoestrellas aún”.

El hecho de que los científicos hayan encontrado cuatro objetos de este tipo es todo un logro. “Raramente encontramos más de un objeto irregular como estos en una observación”, señala Karnath, quien se basó en estas cuatro estrellas infantes para proponer una descripción esquemática de las primeras etapas de formación estelar. “No conocemos su edad precisa, pero es muy probable que tengan menos de 10.000 años”.

Para ser considerada una protoestrella típica (de clase 0), una estrella debe tener no solo un disco que gire a su alrededor, sino también un chorro que expulse material en direcciones opuestas y despeje la densa nube que rodea la estrella hasta volverla visible en el espectro óptico. Estos chorros son importantes porque impiden que las estrellas pierdan su eje giratorio mientras crecen. Ahora bien, los astrónomos aún no saben en qué momento empiezan a producirse estos chorros.

Una de las jóvenes estrellas observadas en este estudio, conocida como HOPS 404, tiene un chorro de apenas 2 kilómetros por segundo (los chorros de las protoestrellas suelen tener velocidades de unos 10-100 km/s). “Es un gran sol hinchado que sigue acumulando mucha masa, pero acaba de empezar a producir su chorro para perder impulso angular y seguir creciendo”. explica Karnath. “Este es uno de los chorros más pequeños que hemos visto, y avala nuestra teoría sobre la primera etapa de formación de las protoestrellas”.

ALMA y el VLA trabajando juntos

La increíble resolución y sensibilidad logradas con ALMA y el VLA fue fundamental para estudiar las zonas externas e internas de las protoestrellas y sus discos durante estas observaciones. Mientras ALMA es capaz de examinar en gran detalle el denso polvo presente alrededor de las protoestrellas, el VLA obtiene imágenes en longitudes de onda más largas, sumamente importantes para entender las estructuras internas de las protoestrellas más jóvenes a escalas inferiores a nuestro Sistema Solar.

“Al combinar ALMA y el VLA obtenemos lo mejor de ambos tipos de herramienta”, explica Tobin. “Gracias a estos telescopios, empezamos a entender cómo empiezan a formarse los planetas”.

Información adicional

Esta investigación se presentó en dos artículos:

• “The VLA/ALMA Nascent Disk and Multiplicity (VANDAM) Survey of Orion Protostars. A Statistical Characterization of Class 0 and I Protostellar Disks” (‘Estudio de multiplicidad y discos nacientes con VLA/ALMA (VANDAM) en protoestrellas de Orión. Caracterización estadística de discos protoestelares de clase 0 y clase I’), de J. Tobin et al., aceptado para publicación en The Astrophysical Journal.
• “Detection of Irregular, Sub-mm Opaque Structures in the Orion Molecular Clouds: Protostars within 10000 years of formation?” (‘Detección de estructuras submilimétricas irregulares y opacas en las nubes moleculares de Orión: ¿protoestrellas a los 10.000 años de su formación?), de N. Karnath et al., aceptado para publicación en The Astrophysical Journal.

El comunicado de prensa original fue publicado por Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), socio de ALMA en nombre de Norteamérica.

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

Estudio VANDAM
ALMA y el VLA observaron más de 300 protoestrellas y sus jóvenes discos protoplanetarios en Orión. En esta imagen se aprecia un subgrupo de estrellas, entre las que se incluyen algunas binarias. Los datos de ALMA y del VLA se complementan: mientras ALMA observa la parte externa del disco (en azul), el VLA observa los discos internos y los núcleos de las estrellas (en naranja).
Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Protoestrellas observadas en las nubes moleculares de Orión
La imagen muestra las nubes moleculares de Orión observadas durante el estudio VANDAM. Los puntos amarillos muestran la ubicación de las protoestrellas observadas en una imagen de fondo azul generada por el telescopio espacial Herschel. Los recuadros muestran nueve jóvenes protoestrellas vistas con ALMA (en azul) y el VLA (en naranja).
Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; Herschel/ESA

Ilustración del proceso de formación de las protoestrellas
En esta ilustración se propone una explicación de la formación de las protoestrellas (línea superior) basada en cuatro protoestrellas muy jóvenes (línea inferior) observadas por el VLA (naranja) y ALMA (azul). La primera etapa (step 1) representa el colapso de polvo y gas. En la segunda etapa se aprecia una región opaca que empieza a formar una nube. En la tercera etapa, se empieza a formar un núcleo hidrostático debido al incremento de la presión y la temperatura, rodeado de una estructura circular y un incipiente chorro. En la cuarta etapa se ilustra el nacimiento de una protoestrella de clase 0 dentro de la región opaca, que puede tener un disco giratorio en equilibrio rotacional y un chorro mejor definidos. En la quinta etapa se aprecia una típica protoestrella de clase 0 con chorros que traspasaron la nube (y se volvieron visibles en el espectro óptico) y un disco giratorio en plena acreción. En la línea inferior, las siluetas blancas corresponden a los chorros de la protoestrella observados por ALMA.
Crédit:os ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), N. Karnath; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton y S. Dagnello

Mapa estelar de la constelación de Orión y las protoestrellas observadas
Las nubes moleculares de Orión (en azul, a partir de observaciones del telescopio Herschel) se encuentran en la constelación de Orión. Los puntos rojos muestran la ubicación de las protoestrellas observadas en el estudio VANDAM.
Créditos: IAU; revista Sky & Telescope; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; Herschel/ESA; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin