ALMA Ofrece Vistas Sin Precedentes Del Nacimiento De Los Planetas

La campaña de ALMA ofrece vistas sin precedentes del nacimiento de los planetas

Imágenes de alta resolución de ALMA de discos protoplanetarios cercanos, que son el resultado del Proyecto de subestructuras de disco en alta resolución angular (DSHARP). Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), S. Andrews et al .; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello

Los astrónomos han catalogado cerca de 4.000 exoplanetas en órbita alrededor de estrellas distantes. Aunque el descubrimiento de estos mundos recién descubiertos nos ha enseñado mucho, todavía hay mucho que desconocemos sobre el nacimiento de los planetas y las recetas cósmicas precisas que generan la amplia gama de cuerpos planetarios que ya hemos descubierto, incluidos los llamados Júpiter, mundos rocosos masivos, planetas enanos helados y, con suerte algún día pronto, análogos distantes de la Tierra.

Para ayudar a responder estas y otras preguntas intrigantes, un equipo de astrónomos ha realizado ALMA Es el primer estudio a gran escala y de alta resolución de discos protoplanetarios, los cinturones de polvo y gas alrededor de estrellas jóvenes.

Conocido como el Proyecto de Subestructuras de Disco en Alta Resolución Angular (DSHARP), este “Gran Programa” del Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) ha producido impresionantes imágenes de alta resolución de 20 discos protoplanetarios cercanos y ha proporcionado a los astrónomos nuevos conocimientos sobre el variedad de características que contienen y la velocidad con la que pueden emerger los planetas.

Los resultados de esta encuesta aparecerán en una edición especial de Astrophysical Journal Letters.

La época de la formación planetaria

Versión etiquetada de cuatro de los veinte discos que componen el estudio de mayor resolución de ALMA de discos protoplanetarios cercanos. – AS 209 es una estrella que alberga un disco que tiene 1 millón de años y se encuentra a unos 400 años luz de la Tierra. La imagen de ALMA muestra una serie muy compacta de anillos polvorientos en su disco interno y dos bandas delgadas de polvo adicionales muy lejos de la estrella central. – HD 143006 tiene unos 5 millones de años y se encuentra a 540 años luz de la Tierra. Esta estrella alberga un disco que muestra amplios espacios entre los carriles polvorientos que demarcan las porciones interior y exterior del disco. En la parte inferior izquierda del anillo exterior se puede ver una región densa en forma de arco, que posiblemente presagia una concentración de material donde se están formando cometas u otros cuerpos helados. – ALMA revela brazos espirales en el disco de polvo que orbita IM Lup, una estrella joven ubicada a unos 515 años luz de la Tierra. Estos patrones pueden ser el resultado de un compañero planetario invisible que perturba el disco, o una inestabilidad global en la estructura del disco similar a la observada en galaxias espirales como la Vía Láctea. – AS 205 es un sistema de estrellas múltiples, con cada estrella luciendo su propio disco polvoriento. Dado que la mayoría de las estrellas de la Vía Láctea son múltiples, esta observación proporciona pistas sobre el potencial de planetas en tales sistemas. Este sistema se encuentra a unos 420 años luz de la Tierra. Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) S. Andrews et al .; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello

Según los investigadores, la interpretación más convincente de estas observaciones es que los planetas grandes, probablemente similares en tamaño y composición a Neptuno o Saturno , se forman rápidamente, mucho más rápido de lo que permitiría la teoría actual. Estos planetas también tienden a formarse en los confines de sus sistemas solares a tremendas distancias de sus estrellas anfitrionas.

Tal formación precoz también podría ayudar a explicar cómo los mundos rocosos del tamaño de la Tierra pueden evolucionar y crecer, sobreviviendo a su presunta adolescencia autodestructiva.

“El objetivo de esta campaña de observación de un mes fue buscar puntos en común y diferencias estructurales en los discos protoplanetarios. La visión extraordinariamente nítida de ALMA ha revelado estructuras nunca antes vistas y patrones inesperadamente complejos ”, dijo Sean Andrews, astrónomo del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica ( CfA ) y líder de la campaña de observación de ALMA junto con Andrea Isella de Rice University, Laura Pérez de la Universidad de Chile y Cornelis Dullemond de la Universidad de Heidelberg. “Estamos viendo distintos detalles alrededor de una amplia variedad de estrellas jóvenes de varias masas. La interpretación más convincente de estas características tan diversas y a pequeña escala es que hay planetas invisibles que interactúan con el material del disco “.

Los modelos líderes para la formación de planetas sostienen que los planetas nacen por la acumulación gradual de polvo y gas dentro de un disco protoplanetario, comenzando con granos de polvo helado que se fusionan para formar rocas cada vez más grandes, hasta que emergen asteroides, planetesimales y planetas. Este proceso jerárquico debería tardar muchos millones de años en desarrollarse, lo que sugiere que su impacto en los discos protoplanetarios sería más frecuente en sistemas más antiguos y maduros. Sin embargo, cada vez hay más pruebas que indican que no siempre es así.

Las primeras observaciones de ALMA de discos protoplanetarios jóvenes, algunos de solo alrededor de un millón de años, revelan estructuras sorprendentemente bien definidas, que incluyen anillos y huecos prominentes, que parecen ser el sello distintivo de los planetas. Los astrónomos fueron inicialmente cautelosos al atribuir estas características a las acciones de los planetas, ya que podrían estar en juego otros procesos naturales.


Animación del artista de un disco protoplanetario. Se pueden ver planetas recién formados viajando alrededor de la estrella anfitriona central, limpiando sus órbitas de polvo y gas. ALMA observó recientemente estas mismas estructuras de enlace de anillo alrededor de varias estrellas jóvenes. Crédito: Fundación Nacional de Ciencias, A. Khan

“Fue sorprendente ver posibles firmas de formación de planetas en las primeras imágenes de alta resolución de discos jóvenes. Era importante averiguar si se trataba de anomalías o si esas firmas eran comunes en los discos ”, dijo Jane Huang, estudiante graduada de CfA y miembro del equipo de investigación.

Sin embargo, dado que la muestra inicial de discos que los astrónomos pudieron estudiar era tan pequeña, fue imposible sacar conclusiones generales. Podría haber sido que los astrónomos estuvieran observando sistemas atípicos. Se necesitaban más observaciones en una variedad de discos protoplanetarios para determinar las causas más probables de las características que estaban viendo.

La campaña DSHARP fue diseñada para hacer precisamente eso al estudiar la distribución a relativamente pequeña escala de partículas de polvo alrededor de 20 discos protoplanetarios cercanos. Estas partículas de polvo brillan de forma natural con una luz de longitud de onda milimétrica, lo que permite a ALMA mapear con precisión la distribución de densidad de las partículas sólidas pequeñas alrededor de las estrellas jóvenes.

Dependiendo de la distancia de la estrella a la Tierra, ALMA pudo distinguir características tan pequeñas como unas pocas Unidades Astronómicas. (Una unidad astronómica es la distancia promedio de la Tierra al Sol, alrededor de 150 millones de kilómetros, que es una escala útil para medir distancias en la escala de los sistemas estelares). Usando estas observaciones, los investigadores pudieron obtener imágenes de una población completa de discos protoplanetarios cercanos y estudiar sus características a escala AU.

Los investigadores encontraron que muchas subestructuras (huecos concéntricos, anillos estrechos) son comunes a casi todos los discos, mientras que en algunos de los casos también están presentes patrones espirales a gran escala y características en forma de arco. Además, los discos y huecos están presentes en una amplia gama de distancias de sus estrellas anfitrionas, desde unas pocas AU hasta más de 100 AU, que es más de tres veces la distancia de Neptuno a nuestro Sol.

Estas características, que podrían ser la huella de grandes planetas, pueden explicar cómo los planetas rocosos similares a la Tierra pueden formarse y crecer. Durante décadas, los astrónomos han estado desconcertados sobre un obstáculo importante en la teoría de la formación de planetas: una vez que los cuerpos polvorientos crecen hasta un cierto tamaño, aproximadamente un centímetro de diámetro, la dinámica de un disco protoplanetario liso los induciría a caer sobre su estrella anfitriona, nunca adquiriendo la masa necesaria para formar planetas como Marte , Venus y la Tierra.

Los densos anillos de polvo que ahora vemos con ALMA producirían un refugio seguro para que los mundos rocosos maduren por completo. Sus densidades más altas y la concentración de partículas de polvo crearían perturbaciones en el disco, formando zonas donde los planetesimales tendrían más tiempo para convertirse en planetas de pleno derecho.

“Cuando ALMA realmente reveló sus capacidades con su imagen icónica de HL Tau, tuvimos que preguntarnos si eso era un valor atípico ya que el disco era comparativamente masivo y joven”, señaló Laura Pérez de la Universidad de Chile y miembro del equipo de investigación. “Estas últimas observaciones muestran que, aunque sorprendente, HL Tau está lejos de ser inusual y en realidad puede representar la evolución normal de los planetas alrededor de estrellas jóvenes”.

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