ALMA descubre zona de formación de un sistema planetario gigante


Disco de polvo y gas alrededor de HD142527. La distribución de polvo y gas observada por ALMA se muestra en rojo y verde, respectivamente. La imagen de infrarrojo cercano producida por el telescopio Subaru se muestra en azul. Esta imagen muestra de forma bien clara que el polvo se concentra en la parte norte del disco. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NAOJ, Fukagawa y colaboradores.

Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de astrónomos japoneses obtuvo pruebas fehacientes de la existencia de un sistema planetario gigante en plena formación alrededor de una joven estrella. Este hallazgo, que nos da una pista sobre el origen de diversos tipos de sistemas planetarios, transformará las teorías sobre los procesos de formación de planetas.

El equipo de investigación, encabezado por astrónomos de las universidades de Osaka e Ibaraki, usó ALMA para observar una joven estrella de la constelación del Lobo (Lupus) conocida como HD142527.

La imagen de ALMA muestra polvo cósmico –el material que da origen a los planetas- describiendo un anillo asimétrico alrededor de la estrella. Tras medir la densidad del polvo en la parte más densa del anillo, los astrónomos descubrieron que hay grandes posibilidades de que allí se estén formando planetas gaseosos gigantes como Júpiter o planetas rocosos como la Tierra. El área observada se encuentra lejos de la estrella, a una distancia cinco veces superior a la que separa al Sol de Neptuno. Esta es la primera vez que se encuentran indicios de formación planetaria tan lejos de la estrella central de un disco protoplanetario. El equipo pretende seguir usando ALMA para observar HD142527 y otros discos protoplanetarios con el fin de llevar a cabo una investigación más profunda y comprender mejor los procesos de formación planetaria.

A la fecha se han descubierto más de 1.000 planetas extrasolares, y es sabido que el Sol no es la única estrella que tiene planetas. En el marco de investigaciones de este tipo, los astrónomos han encontrado una gran variedad de planetas, tales como gigantes gaseosos similares a Júpiter que giran alrededor de estrellas centrales describiendo órbitas mucho más pequeñas que la de Mercurio, o bien planetas con una órbita mucho más grande que la de Neptuno. Pese a todos estos hallazgos, los astrónomos todavía no comprenden a cabalidad el proceso de formación de los planetas, lo que constituye hoy una de las grandes prioridades de la astronomía. Cada vez son más las observaciones orientadas a la exploración de zonas de formación planetaria alrededor de estrellas jóvenes.

Las estrellas recién nacidas tienen un anillo de polvo y gas que la rodean y que contiene el material a partir del cual se forman los planetas. Las recientes observaciones en infrarrojo cercano realizadas con el telescopio Subaru del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) revelaron que los discos protoplanetarios presentan una estructura mucho más compleja de lo que se creía. En teoría, las estructuras en espiral o que presentan vacíos delatarían la presencia de planetas ocultos en el disco. No obstante, es imposible calcular la cantidad de polvo y gas presente en la zona más densa del disco mediante observaciones en infrarrojo cercano debido a que, al ser fácilmente absorbida o dispersada cuando hay grandes cantidades de polvo, la luz infrarroja cercana no sirve para estudiar el núcleo de la zona más densa del disco. Ahí es donde entra en juego ALMA, que permite observar las ondas milimétricas y submilimétricas. Se trata de ondas de mayor longitud que la luz infrarroja cercana, por lo que son menos absorbidas por el polvo y permiten a los astrónomos estudiar el interior del disco. Antes, las observaciones de las ondas milimétricas y submilimétricas tenían la desventaja de que no permitían alcanzar una gran resolución espacial, pero con ALMA se ha mejorado considerablemente ese aspecto.

Observaciones con ALMA

El equipo de investigación eligió la joven estrella HD142527 de la constelación del Lobo (Lupus) como objeto para observar con ALMA. Anteriormente, usando el telescopio Subaru para observar el disco alrededor de HD142527, los astrónomos habían descubierto un vacío dentro del disco, y les había llamado la atención la peculiar forma del disco exterior. Con ALMA se estudiaron las emisiones submilimétricas del anillo de polvo que circunda la estrella y se descubrió una distribución heterogénea, al observar que el costado norte es 30 veces más brillante que el lado sur. “Estamos muy sorprendidos con el brillo del lado norte”, señala Misato Fukagawa, profesor asistente de la Universidad de Osaka que encabeza el equipo, quien agrega que “el área más brillante en el espectro submilimétrico se encuentra lejos de la estrella central, a una distancia equivalente a unas cinco veces la que separa al Sol de Neptuno. Nunca había visto un punto tan brillante en una posición tan alejada. Esta intensa emisión submilimétrica puede interpretarse como un indicio de que hay una gran cantidad de material acumulado allí, y cuando se acumula material suficiente, se pueden formar planetas o cometas. Para investigar esta posibilidad, medimos la cantidad de material”.

Para calcular la cantidad de material a partir de la intensidad de la emisión submilimétrica, la temperatura de dicho material constituye un parámetro muy importante. El equipo midió la temperatura en la zona densa observando isotopómeros de monóxido de carbono que lo llevaron a plantear dos posibilidades: allí se gesta un planeta gaseoso gigante o bien un planeta rocoso. Si bien la cantidad de polvo y gas es comparable con la que suele haber normalmente en el Universo (con una razón de 1 a 100 en la proporción de polvo y gas), la región más densa es lo suficientemente masiva como para atraer grandes cantidades de gas gracias a su propia gravedad y formar planetas gaseosos gigantes con una masa varias veces superior a la de Júpiter. Aunque se trata de un fenómeno similar al proceso de formación de estrellas en nubes cósmicas, es la primera vez que la observación de discos protoplanetarios permite inferir directamente la posible existencia de un proceso de formación planetaria. Otra posibilidad es la formación de una “trampa de polvo”, que provoca una acumulación excepcional en una parte del disco y que, de formarse dentro de él, puede dar nacimiento a planetas rocosos similares a la Tierra, pequeños cuerpos como los cometas o bien núcleos de planetas gaseosos. En ambos casos, hay altas probabilidades de que se estén formando planetas en la parte más densa del disco que rodea HD142527.

Estos dos principios de formación planetaria ya se habían postulado teóricamente hace más de 30 años. Los astrónomos parten del supuesto de que los planetas de nuestro Sistema Solar comenzaron a formarse mediante la colisión y fusión de una gran cantidad de polvo que, al agolparse, fue formando núcleos planetarios (protoplanetas) que, a su vez, terminaron transformándose en planetas luego de numerosas colisiones y fusiones. Algunos de estos núcleos capturan atmósferas masivas y forman gigantes gaseosos. Hasta ahora se creía que en los sistemas planetarios similares a nuestro Sistema Solar ambos procesos se desarrollaban cerca de la estrella central (alrededor de las órbitas de Júpiter y Saturno), pero los resultados obtenidos con ALMA contradicen esa teoría. Munetake Momose, profesor de la Universidad de Ibaraki que participó en el estudio, afirma: “Una de las metas más importantes de ALMA es observar directamente los lugares donde se forman planetas. Nuestras observaciones permitieron ubicar un candidato de características únicas en un lugar excepcionalmente distante de la estrella central. Creo que ALMA nos reserva más sorpresas”.

Perspectivas

El equipo de investigación llegó a la conclusión de que hay dos procesos de formación planetaria posibles en el disco alrededor de HD142527. El próximo paso consiste en alcanzar un cálculo preciso de la cantidad de gas para saber de qué proceso se trata. Para ello, el equipo continuará sus observaciones con las funcionalidades incrementadas de ALMA. Fukagawa señala: “HD142527 es un objeto peculiar, de acuerdo con nuestros limitados conocimientos. Sin embargo, se han descubierto otros discos protoplanetarios asimétricos desde que comenzaron las operaciones de la etapa de Ciencia Inicial en ALMA. Nuestra meta final es revelar el proceso físico principal que explica la formación de los planetas. Para ello, es importante lograr una visión exhaustiva del proceso de formación mediante observaciones de numerosos discos protoplanetarios, y esperamos formar parte de esta importante misión”.

Los hallazgos de esta investigación se publicaron el 25 de diciembre de 2013 en el artículo “Local Enhancement of Surface Density in the Protoplanetary Ring Surrounding HD 142527” en la revista Publications of the Astronomical Society of Japan.

ALMA descubre zona de formación de un sistema planetario gigante

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