ALMA presencia formación de planetas.

Los flujos de gas nos desvelan la formación de planetas.

Representación artística del gas que fluye en cascada hacia el surco de un disco protoplanetario, probablemente causado por un planeta recién formado. Créditos: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello..

Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de astrónomos observó desplazamientos de gas en 3D en un disco donde se forman planetas. En tres lugares del disco que rodea una joven estrella conocida como HD 163296, hay gas que fluye en cascada hacia surcos probablemente generados por planetas en formación. Hacía tiempo que se había predicho la existencia de estos flujos de gas, que podrían estar influyendo directamente en la composición química de las atmósferas de estos planetas. Los resultados de este estudio se publicaron en la última edición de la revista Nature.

Los planetas se forman en discos de polvo y gas. Los astrónomos estudian estos discos, conocidos como discos protoplanetarios, para entender los procesos de formación planetaria. Las hermosas imágenes de los discos obtenidas con ALMA muestran claros surcos y anillos en el polvo que podrían ser producidos por planetas en formación.

Para estar seguros de que son planetas los que generan estos surcos, y para entender los procesos de formación planetaria, los científicos estudian el gas del que están hechos estos discos, además del polvo.  El 99 % de la masa de los discos protoplanetarios está hecha de gas, en parte de monóxido de carbono (CO), que resulta ser el más brillante y que puede ser observado con ALMA. 

El año pasado, dos equipos de astrónomos revelaron una nueva técnica de búsqueda de planetas basada en este gas. Se midió la velocidad de rotación del CO en el disco que rodea a la joven estrella HD 163296. Las alteraciones locales en el movimiento del gas revelaron tres estructuras con forma planetaria en el disco.

En este nuevo estudio, el autor principal, Richard Teague, de la Universidad de Michigan, y su equipo usaron nuevos datos  en alta resolución obtenidos por ALMA en el marco del proyecto Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP) para estudiar en detalle la velocidad de desplazamiento del gas. “Con los datos de alta resolución de este programa pudimos medir la velocidad del gas en tres direcciones, en vez de solo una”, explica Teague. “Por primera vez, calculamos el movimiento del gas en todas las direcciones posibles: alrededor de la estrella, acercándose o alejándose de ella, y hacia arriba o abajo del disco”.

Teague y sus colegas observaron el gas desplazándose desde las capas superiores hacia la mitad del disco en tres lugares distintos. “Lo más probable es que un planeta en órbita alrededor de la estrella desplace el polvo y el gas hacia el costado y genere un surco”, explica Teague. “Así, el gas encima del surco cae hacia él como una cascada y genera un flujo de gas giratorio en el disco”.

Los científicos midieron el movimiento del gas (flechas) en un disco protoplanetario en tres direcciones: alrededor de la estrella, yendo hacia la estrella o alejándose de ella y hacia arriba o abajo del disco. El recuadro muestra un acercamiento de una zona donde un planeta en órbita alrededor de la estrella abre un surco apartando el polvo y gas en su camino. Créditos: NRAO/AUI/NSF, B. Saxton.

Esta es la mejor prueba de que hay planetas formándose alrededor de HD 163296. Sin embargo, los astrónomos no están cien por ciento seguros de que estos flujos de gas son provocados por planetas. Por ejemplo, el campo magnético de la estrella también podría afectar el gas. “Por ahora, solo una observación directa de los planetas permitiría descartar las demás posibilidades, pero las características de estos flujos de gas son únicas, y es muy probable que sean causadas únicamente por planetas”, señala Jaehan Bae, de la Carnegie Institution for Science, quien es coautor del artículo y puso a prueba esta teoría mediante una simulación informática del disco.

Las ubicaciones de los tres planetas cuya existencia se predice en este estudio corresponden a los hallazgos del año pasado. Sus posiciones probables son a 87, 140 y 237 UA de la estrella (una unidad astronómica [UA] corresponde a la distancia promedio entre la Tierra y el Sol). Se calcula que el planeta más cercano a HD 163296 tiene la mitad de la masa de Júpiter, el segundo más cercano tiene una masa equivalente a la de Júpiter y el más alejado tiene dos veces su masa.

Estos desplazamientos de gas desde la superficie hasta el plano medio de los discos protoplanetarios se habían predicho desde fines de los noventa. Sin embargo, esta es la primera vez que los astrónomos los observan. Además de ser útiles para detectar planetas jóvenes, estos flujos también pueden ayudarnos a entender mejor cómo los planetas gaseosos gigantes fabrican sus atmósferas.

“Los planetas se forman en la capa intermedia del disco, o plano medio. Es un lugar frío y protegido de la radiación emanada de la estrella”, explica Teague. “Creemos que los surcos causados por los planetas atraen gas menos frío de las capas externas del disco, más activas en términos químicos, y que ese gas termina formando la atmósfera de los planetas”.

Teague y su equipo no esperaban poder ver este fenómeno. “El disco que rodea HD 163296 es el más grande y brillante que se puede observar con ALMA”, afirma Teague. “Pero fue una gran sorpresa haber visto estos flujos de gas con tanta claridad. El disco parece ser mucho más dinámico de lo que creíamos”.

“Esto nos proporciona un panorama mucho más completo de los procesos de formación planetaria de lo que jamás habríamos soñado”, comenta otro autor del artículo, Ted Bergin, de la Universidad de Michigan. “Al caracterizar estos flujos, podemos determinar cómo nacen los planetas como Júpiter y caracterizar su composición química al nacimiento. Y podríamos usar esta información para determinar el lugar de nacimiento de estos planetas, puesto que pueden desplazarse durante su formación”.

Una simulación informática reveló que los flujos de gas tienen características únicas y probablemente son causados por la presencia de planetas en tres lugares diferentes del disco. Los planetas en órbita alrededor de la estrella abren surcos apartando polvo y gas hacia el lado. El gas encima del surco fluye hacia él en cascada y genera un flujo de gas giratorio en el disco. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Bae; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello.

Información adicional.

Los resultados de esta investigación se describen en el artículo de R. Teague et al. titulado “Meridional flows in the disk around a young star” (‘Flujos meridionales en el disco que rodea una joven estrella’), publicado en la revista Nature (doi: 10.1038/s41586-019-1642-0).

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

Esta animación muestra la simulación por computadora de cómo fluye el gas en el disco como resultado de la formación de tres planetas. Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), J. Bae; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello

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• Publicado en ALMA el 16 de octubre del 2 019, enlace publicación.