Campaña de ALMA ofrece vista sin precedentes a nacimiento de planetas

Los astrónomos ya han catalogado cerca de 4.000 exoplanetas que orbitan estrellas distantes. Y aunque hemos aprendido mucho sobre esos nuevos mundos, todavía queda mucho por entender sobre las etapas de formación de planetas y los procesos cósmicos específicos a partir de los cuales han surgido distintos cuerpos planetarios descubiertos a la fecha, como los llamados júpiteres calientes, los mundos rocosos masivos y los planetas enanos helados, así como los distantes planetas similares a la Tierra que se descubrirán en el futuro, ojalá más temprano que tarde.

Con el fin de responder estas y otras preguntas intrigantes sobre el nacimiento de los planetas, un equipo de astrónomos usó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array(ALMA) para realizar uno de los mapeos más detallados hasta ahora de discos protoplanetarios, esos anillos de polvo que rodean jóvenes estrellas y en los cuales se forman planetas.

Imágenes en alta resolución de ALMA de discos protoplanetarios cercanos, como resultado del proyecto DSHARP. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; N. Lira.

“La importancia de este programa extendidoradica en que nos acerca a unos de los objetivos fundamentales de ALMA, que es comprender el proceso de formación planetaria, y nos transporta de estudios previos, que eran de muy pocos objetos o, incluso, de tan solo un disco, a un contexto completamente nuevo, permitiendo una perspectiva estadística mucho más amplia” explica Stuartt Corder, sundirector de ALMA; “¿Son estas estructuras comunes o exóticas? Este acercamiento mucho más estadístico permite a los investigadores responder a preguntas mucho más fundamentales sobre el proceso de formación planetaria”.

Este programa extendidode ALMA, conocido como Disk Substructures at High Angular Resolution Project(DSHARP), ha arrojado impresionantes imágenes en alta resolución de 20 discos protoplanetarios cercanos y ha proporcionado información nueva a los astrónomos sobre sus distintas características y sobre la velocidad a la que pueden surgir los planetas.

Los resultados del estudio se recogieron en una serie de diez artículos que se publicarán en The Astrophysical Journal Letters.

De acuerdo con los investigadores, la interpretación más plausible de estas observaciones es que los planetas más grandes, con dimensiones y composiciones similares a las de Neptuno o Saturno, se forman rápido; de hecho, mucho más rápido de lo que postulan las teorías actuales. También tienden a formarse en los confines de sus sistemas solares, muy lejos de su estrella huésped.

GIF abarcando las imágenes de ALMA de los 20 discos observados en el marco del proyecto DSHARP. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Andrews et al.; N. Lira.

Este nacimiento precoz también podría ayudar a explicar cómo los planetas rocosos de tamaño similar al de la Tierra son capaces de evolucionar y crecer, sobreviviendo a una adolescencia presuntamente autodestructiva.

“El objetivo de esta campaña de observación, que se prolongó por varios meses, fue buscar las similitudes y diferencias estructurales entre los discos protoplanetarios. La visión extraordinariamente aguda de ALMA reveló estructuras nunca vistas hasta ahora y formas inesperadamente complejas”, celebra Sean Andrews, astrónomo del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA), quien dirigió la campaña de observación de ALMA junto con Andrea Isella, de la Universidad Rice, Laura Pérez de la Universidad de Chile y Cornelis Dullemond, de la Universidad de Heidelberg. “Estamos descubriendo detalles muy claros alrededor de una gran variedad de estrellas jóvenes con distintas masas. La explicación más plausible para estas estructuraspequeñas y muy diversas es que hay planetas que no vemos y que están interactuando con el material del disco”.

Los modelos de formación planetaria consagrados postulan que los planetas se forman mediante la acumulación paulatina de polvo y gas que van formado rocas cada vez más grandes hasta dar forma a asteroides, planetesimales y planetas. Como este proceso jerárquico tardaría varios millones de años, debería ser más abundante en los discos protoplanetarios de los sistemas más antiguos y maduros. Sin embargo, los datos obtenidos indican que no siempre es así.

Los estudios iniciales de jóvenes discos protoplanetarios observados con ALMA, algunos de ellos de tan solo 1 millón de años, revelaron estructuras sorprendentes, entre ellas unos anillos y surcos que parecen delatar la presencia de planetas. Al principio los astrónomos se mostraron cautos a la hora de atribuir estas estructuras a la existencia de planetas, puesto que podrían ser el resultado de otros procesos naturales.

“Fue una sorpresa ver posibles indicios de formación planetaria en las primeras imágenes de alta resolución de discos jóvenes. Era importante determinar si estas anomalías o huellas eran comunes en los discos”, explica Jane Huang, estudiante de posgrado de CfA y miembro del equipo de investigación.

Como había muy pocas muestras, era imposible sacar conclusiones, puesto que podría tratarse de sistemas atípicos. Para ello, hubo que estudiar más discos protoplanetarios con el fin de determinar las causas más probables de los fenómenos observados.

La campaña DSHARP fue ideada precisamente con ese objetivo, al estudiar la distribución relativamente pequeña de las partículas de polvo alrededor de 20 discos protoplanetarios. Al tratarse de partículas de polvo que brillan naturalmente en longitudes de onda milimétricas, ALMA pudo mapear con precisión la distribución de la densidad de pequeñas partículas sólidas presentes alrededor de jóvenes estrellas.

Dependiendo de la distancia entre la estrella y la Tierra, ALMA pudo distinguir características de tan solo unas pocas unidades astronómicas (UA; una unidad astronómica equivale a la distancia promedio entre la Tierra y el Sol, o unos 150 millones de kilómetros, una medida útil para medir distancias a escala de sistemas estelares). Con estas observaciones, los investigadores pudieron obtener imágenes de toda una población de discos protoplanetarios y estudiar sus características a escalas de unidades astronómicas.

Imágenes de alta resolución de ALMA de discos protoplanetarios cercanos, que son resultados de las Subestructuras de Disco en el Proyecto de Alta Resolución Angular (DSHARP). Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), S. Andrews y otros; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello

Los astrónomos descubrieron que muchas de las subestructuras (como surcos concéntricos y anillos estrechos) son comunes en casi todos los discos, mientras que en algunos casos también se observan grandes espirales y arcos. Asimismo, hay discos y surcos a distintas distancias de su estrella anfitriona, que van desde algunas UA a más de 100 UA, es decir, más de tres veces la distancia que separa Neptuno de nuestro Sol.

Estas características, que podrían ser huellas dejadas por grandes planetas, podrían explicar cómo se forman y crecen los planetas rocosos similares a la Tierra. Durante decenios, los astrónomos se han visto enfrentados a un gran misterio en la teoría de la formación de planetas: una vez que los planetesimales alcanzan cierto tamaño (cerca de un kilómetro de diámetro), el comportamiento dinámico de un disco protoplanetario liso los induciría a desplazarse hacia su estrella anfitriona, y esto les impediría adquirir la masa necesaria para formar planetas como Marte, Venus y la Tierra.

Los densos anillos de polvo observados ahora con ALMA podrían ser un lugar seguro para que los astros rocosos alcancen la madurez. Su mayor densidad y la concentración de partículas de polvo provocarían perturbaciones en el disco y crearían áreas donde los planetesimales tendrían más tiempo para crecer hasta convertirse en planetas propiamente tales.

“Cuando ALMA demostró su verdadera capacidad con su icónica imagen de HL Tau, tuvimos que preguntarnos si se trataba de un caso excepcional, puesto que el disco era comparativamente masivo y joven”, señala Laura Pérez, de la Universidad de Chile, quien también formó parte del equipo de investigación. “Estas últimas observaciones muestran que, aunque sorprendente, HL Tau dista de ser una excepción, e incluso podría reflejar la evolución normal de los planetas alrededor de estrellas jóvenes”.

Artículo Científico