Astrónomos han realizado el primer estudio a gran escala y de alta resolución de discos protoplanetarios, los cinturones de polvo y gas alrededor de estrellas jóvenes.

Catálogo de discos de formación planetaria

Conocido como DSHARP (Disk Substructures at High Angular Resolution Project) este programa del telescopio ALMA (Atacama Large Milimeter / submilimeter Array) ha producido impresionantes imágenes de alta resolución de 20 discos protoplanetarios cercanos y ha dado a los astrónomos nuevos conocimientos sobre la variedad de características que contienen y la velocidad con la que pueden surgir los planetas.

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

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.

Tales planetas también tienden a formarse en los confines de sus sistemas solares a tremendas distancias de sus estrellas anfitrionas.

Dicha 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 de duración fue buscar similitudes estructurales y diferencias en los discos protoplanetarios. La extraordinariamente aguda visión de ALMA ha revelado estructuras inéditas y patrones inesperadamente complejos “, dijo en un comunicado Sean Andrews, astrónomo del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica (CfA) y líder de la campaña de observación.

“Estamos viendo distintos detalles en torno a una amplia variedad de estrellas jóvenes de varias masas. La interpretación más convincente de estas características tan diversas y de pequeña escala es que hay planetas invisibles que interactúan con el material del disco”.

Los modelos principales 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 unen para formar rocas cada vez más grandes, hasta que emergen asteroides, planetesimales y planetas. Este proceso jerárquico debería tardar muchos millones de años desarrollarse, lo que sugiere que su impacto en los discos protoplanetarios sería más frecuente en los sistemas más antiguos y más maduros. Sin embargo, la evidencia acumulada indica que no siempre es así.

Las primeras observaciones de ALMA de discos protoplanetarios jóvenes, algunos de solo un millón de años de antigüedad, 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.

“Fue sorprendente ver posibles firmas de formación de planetas en las primeras imágenes de alta resolución de discos jóvenes. Fue 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 podían estudiar era tan pequeña, era imposible sacar conclusiones generales. Podría haber sido que los astrónomos estuvieran observando sistemas atípicos. Se necesitaron más observaciones en una variedad de discos protoplanetarios para determinar las causas más probables de las características que estaban viendo.

La campaña DSHARP se diseñó para hacer precisamente eso al estudiar la distribución relativamente pequeña de partículas de polvo alrededor de 20 discos protoplanetarios cercanos. Estas partículas de polvo brillan naturalmente en luz de longitud de onda milimétrica, lo que permite a ALMA mapear con precisión la distribución de densidad de partículas pequeñas y sólidas alrededor de estrellas jóvenes.

Dependiendo de la distancia de la estrella a la Tierra, ALMA pudo distinguir características tan pequeñas como unas pocas unidades astronómicas (UA). Usando estas observaciones, los investigadores pudieron visualizar una población completa de discos protoplanetarios cercanos y estudiar sus características en escala UA.

Los investigadores descubrieron que muchas subestructuras (huecos concéntricos, anillos estrechos) son comunes a casi todos los discos, mientras que en algunos de los casos también hay patrones en espiral a gran escala y características similares a arcos. Además, los discos y los huecos están presentes en una amplia gama de distancias desde unas pocas UA hasta más de 100 UA, que es más de tres veces la distancia de Neptuno a nuestro Sol.

Estas características, que podrían ser la huella de planetas grandes, pueden explicar cómo los planetas rocosos semejantes a la Tierra son capaces de 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 alcanzan un cierto tamaño (alrededor de un centímetro de diámetro), la dinámica de un disco protoplanetario suave los inducirá a caer sobre su estrella huésped, nunca a adquirir la masa necesaria para formar planetas como Marte, Venus y la Tierra.

Los densos anillos de polvo que vemos ahora con ALMA producirían un refugio seguro para que los mundos rocosos maduren completamente. 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.

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