Un caótico sistema estelar reveló secretos inéditos de la formación planetaria

Un equipo de astrónomos midió la masa de discos protoplanetarios usando datos de velocidad del gas y confirmó que las inestabilidades gravitacionales desempeñan un papel clave en la formación planetaria.

Los resultados, obtenidos con la observación de la joven estrella Elias 2-27, mediante el telescopio ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimeter Array), desbloquearon potencialmente uno de los misterios de la formación planetaria. Los datos fueron publicados en dos estudios separados en The Astrophysical Journal.

Los científicos conocen a los discos protoplanetarios, discos formadores de planetas hechos de gas y polvo que rodean a las estrellas jóvenes recién formadas, como el lugar en el que éstos nacen. Sin embargo, el proceso exacto de creación de los mismos sigue siendo un misterio.

La nueva investigación, dirigida por Teresa Paneque-Carreño, recién egresada de la Universidad de Chile y estudiante de doctorado en la Universidad de Leiden y el Observatorio Europeo Austral, autora principal del primero de los dos artículos, se centra en descubrir el misterio de la formación de planetas.

Durante las observaciones, los científicos confirmaron que el sistema estelar Elias 2-27, una estrella joven ubicada a menos de 400 años luz de la Tierra en la constelación de Ophiuchus, exhibía evidencia de inestabilidades gravitacionales que ocurren cuando los discos que forman planetas llevan una gran fracción de la masa estelar del sistema.

“Cómo se forman exactamente los planetas es una de las principales preguntas en nuestro campo. Sin embargo, hay algunos mecanismos clave que creemos que pueden acelerar este proceso”, señaló Paneque-Carreño en un comunicado. “Encontramos evidencia directa de inestabilidades gravitacionales en Elias 2-27, lo cual es muy emocionante porque esta es la primera vez que podemos mostrar pruebas cinemáticas y de múltiples longitudes de onda de que un sistema es gravitacionalmente inestable. Elias 2-27 es el primero que marca todas las casillas“, agregó.

Las características únicas de este astro lo hicieron popular entre los científicos de ALMA durante más de media década. En 2016, un equipo de científicos que utilizó este telescopio descubrió un molinillo de polvo girando alrededor de la joven estrella. Se creía que los espirales eran el resultado de ondas de densidad, comúnmente conocidas por producir los brazos reconocibles de las galaxias espirales, como la Vía Láctea, pero en ese momento, nunca antes se habían visto alrededor de estrellas individuales.

“Descubrimos en 2016 que el disco Elias 2-27 tenía una estructura diferente a otros sistemas ya estudiados, algo que antes no se observaba en un disco protoplanetario: dos brazos espirales a gran escala. Las inestabilidades gravitacionales eran una fuerte posibilidad, pero el origen de estas las estructuras seguían siendo un misterio y necesitábamos más observaciones”, contó Laura Pérez, profesora asistente de la Universidad de Chile e investigadora principal del estudio de 2016. Junto con colaboradores, propuso estudios adicionales en múltiples bandas de ALMA que fueron analizadas con Paneque-Carreño como parte de su tesis en la Universidad de Chile.

Además de confirmar las inestabilidades gravitacionales, los científicos encontraron perturbaciones en el sistema estelar por encima y más allá de las expectativas teóricas. “Puede que todavía haya nuevo material de la nube molecular circundante cayendo sobre el disco, lo que hace que todo sea más caótico”, aclaró Paneque-Carreño, y agregó que este caos contribuyó a fenómenos interesantes que nunca antes se habían observado, y para los que los científicos aun no tienen una explicación clara.

“El sistema estelar Elias 2-27 es altamente asimétrico en la estructura del gas. Esto fue completamente inesperado, y es la primera vez que observamos tal asimetría vertical en un disco protoplanetario”.

Cassandra Hall, profesora asistente de astrofísica computacional en la Universidad de Georgia y coautora de la investigación, agregó que la confirmación de la asimetría vertical y las perturbaciones de velocidad (primeras a gran escala vinculadas a la estructura espiral en un disco protoplanetario) podrían tener implicaciones significativas para la teoría de la formación de planetas.

“Esto podría ser una ‘pistola humeante’ de inestabilidad gravitacional, que puede acelerar algunas de las primeras etapas de la formación planetaria. Primero, predijimos esta firma en 2020 y desde el punto de vista de la astrofísica computacional, es emocionante tener razón”, indicó.

Paneque-Carreño agregó que pese a que la nueva investigación confirmó algunas teorías, también planteó nuevas preguntas. “Si bien ahora se puede confirmar que las inestabilidades gravitacionales explican las estructuras espirales en el continuo de polvo que rodea a la estrella, también hay una brecha interna o material faltante en el disco, para lo cual no tenemos una explicación clara”.

Una de las barreras para comprender la formación de planetas fue la falta de medición directa de la masa de los discos de formación de planetas, un problema abordado en la nueva investigación. La alta sensibilidad de la banda 6 de ALMA, junto con las bandas 3 y 7, permitió al equipo estudiar más de cerca los procesos dinámicos, la densidad e incluso la masa del disco.

“Las mediciones anteriores de la masa del disco protoplanetario eran indirectas y se basaban solo en polvo o isotopólogos raros. Con este nuevo estudio, ahora somos sensibles a toda la masa del disco”, manifestó Benedetta Veronesi, estudiante graduada de la Universidad de Milán e investigadora posdoctoral de la École Normale Supérieure, de Lyon, Francia y autora principal del segundo artículo.

“Este hallazgo sienta las bases para el desarrollo de un método para medir la masa del disco que nos permitirá derribar una de las barreras más grandes y apremiantes en el campo de la formación de planetas. Acceder a esta información nos posibilita determinar la cantidad de material disponible para la formación de sistemas planetarios y para comprender mejor el proceso por el cual se forman”, aseguró.

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