ALMA descubre anillos desalineados en disco protoplanetario alrededor de sistema estelar triple.

Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), dos equipos de astrónomos observaron por primera vez un disco protoplanetario con anillos desalineados alrededor de un sistema estelar triple, conocido como GW Orionis. Según los astrónomos, puede haber dos explicaciones posibles: el disco debe haber sido deformado por la atracción gravitacional ejercida por estrellas o bien por un planeta recién formado.

Imágenes generadas por ALMA del disco protoplanetario con anillos desalineados alrededor del sistema estelar triple GW Orionis. La imagen a la derecha se generó a partir de datos obtenidos con ALMA por Jiaqing Bi y su equipo en 2017. La imagen a la izquierda se generó a partir de datos obtenidos con ALMA por Stefan Kraus y su equipo en 2018. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Kraus & J. Bi; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

La mayoría de las estrellas similares a nuestro Sol nacen de a dos. A diferencia de los planetas de nuestro Sistema Solar, donde todos los planetas orbitan alrededor del Sol en el mismo plano, los planetas que orbitan estos sistemas multiestelares muchas veces describen órbitas que no están alineadas con las órbitas de sus estrellas. Sus órbitas torcidas se originan en los discos protoplanetarios, donde nacen los planetas. Por consiguiente, al estudiar los discos desalineados que giran alrededor de múltiples estrellas (como ya lo hizo ALMA con el sistema de estrellas binarias Tattooine) podemos entender mejor cómo se forman estos planetas.

En el marco de un nuevo estudio, dos equipos independientes de astrónomos apuntaron ALMA hacia GW Orionis, un joven sistema estelar formado por tres estrellas. Las estrellas más céntricas, GW Ori A y B, orbitan una alrededor de la otra separadas por una distancia de 1 UA, mientras que la tercera estrella, GW Ori C, orbita alrededor de sus dos hermanas a una distancia de aproximadamente 8 UA. 

ALMA detectó tres anillos en planos distintos en el enorme disco protoplanetario de GW Orionis, ubicados a cerca de 46, 185 y 340 UA de su centro. El anillo más céntrico se encuentra muy desalineado con respecto a los otros dos anillos y las tres estrellas. El anillo externo, en tanto, es el más grande que se haya observado en un disco protoplanetario. Si hubiera un planeta en proceso de formación en el surco entre el anillo más pequeño y el más grande, su distancia con respecto a las estrellas sería abismal. Cabe recordar, por ejemplo, que Neptuno se encuentra a unas 30 UA del Sol. 

El conjunto ALMA, del que ESO es socio, y el instrumento SPHERE del Very Large Telescope de ESO, han obtenido imágenes de GW Orionis, un sistema estelar triple con una peculiar región interior. A diferencia de los discos planos de formación de planetas que vemos alrededor de muchas estrellas, GW Orionis cuenta con un disco deformado, alterado por los movimientos de las tres estrellas que hay en su centro. La imagen de ALMA (izquierda) muestra la estructura anillada del disco, con el anillo más interno separado del resto del disco. Las observaciones de SPHERE (derecha) permitieron a los astrónomos ver por primera vez la sombra de este anillo interno sobre el resto del disco, lo que les permitió reconstruir su forma alterada. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), ESO/Exeter/Kraus et al.

ALMA observó la desalineación de los anillos de GW Orionis por primera vez en 2017. “Nos sorprendió ver que el disco interno estaba tan desalineado”, comenta Jiaqing Bi, de la Universidad de Victoria (Canadá), quien encabezó el equipo cuyo estudio se publicó en The Astrophysical Journal Letters en mayo de este año. “Pero ALMA detectó una distorsión en la estructura del gas del disco que confirma la extraña deformación del disco”. 

El segundo equipo de astrónomos, encabezado por Stefan Kraus, de la Universidad de Exeter (Reino Unido), apuntó ALMA y el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO) hacia el triple sistema. De esa forma, los astrónomos detectaron la presencia de gas caliente en el borde interno del anillo desalineado y luz dispersa en la superficie curva del disco.

Vista panorámica del VLT. Esta vista del VLT, capturada por el dron del embajador fotográfico de ESO Gerhard Hüdepohl, muestra una vista panorámica del VLT, el instrumento óptico más avanzado del mundo y la instalación insignia para la astronomía terrestre europea. Crédito: G. Hüdepohl (atacamaphoto.com) / ESO.

“En nuestras imágenes, vemos la sombra del anillo interno sobre la parte externa del disco. ALMA también nos permitió medir con precisión la forma del anillo que produce la sombra. Al combinar estos datos, pudimos determinar la orientación tridimensional del anillo desalineado y de la superficie curva del disco”, explica Stefan Kraus, cuyo equipo publicó hoy sus resultados en la revista Science.

Mediante conjuntos de telescopios que observan en longitudes de onda infrarrojas, los astrónomos también mapearon las órbitas de las tres estrellas durante 11 años, abarcando así un período orbital completo. De esa forma, descubrieron que las tres estrellas no orbitan en el mismo plano, sino que están desalineadas entre ellas y con respecto al disco. “Esto resultó ser fundamental para entender cómo las estrellas dan forma al disco”, agrega John Monnier, de la Universidad de Michigan, quien forma parte del equipo. 

El conjunto ALMA, del que ESO es socio, y el instrumento SPHERE del Very Large Telescope de ESO, han obtenido imágenes de GW Orionis, un sistema estelar triple con una peculiar región interior. Las nuevas observaciones revelaron que este objeto tiene un disco de formación planetaria deformado con un anillo desalineado. En particular, la imagen de SPHERE (panel derecho) permitió a los astrónomos ver, por primera vez, la sombra que este anillo proyecta sobre el resto del disco. Esto les ayudó a averiguar la forma 3D del anillo y del conjunto del disco. El panel izquierdo muestra una representación artística de la región interna del disco, incluido el anillo, que se basa en la forma en tres dimensiones reconstruida por el equipo. Crédito: ESO/L. Calçada, Exeter/Kraus et al.

Ambos equipos realizaron simulaciones informáticas para tratar de entender por qué el anillo interno estaba desalineado. Stefan Kraus y su equipo relacionaron el fenómeno con un “efecto de distorsión de disco”, donde la atracción gravitacional de las estrellas en distintos planos podría distorsionar y romper sus discos. Sus simulaciones revelaron que la desalineación de las órbitas de las tres estrellas podía romper el disco en distintos anillos.

La simulaciones realizadas por Jiaqing Bi y su equipo, en tanto, proporcionaron otra explicación posible para la fuerte desalineación observada entre el disco interno y el del medio. “Nuestras simulaciones muestran que la atracción gravitacional del sistema triple no explica por sí sola esta fuerte desalineación. Creemos que solo la presencia de un planeta entre estos anillos explicaría por qué el disco se deformó de esa manera”, señala Nienke van der Marel, de la Universidad de Victoria. “Este planeta habría abierto un surco de polvo y causado que se rompiera el disco entre el anillo interno y el externo”, explica la astrónoma. 

Stefan Kraus también cree que podría haber planetas en GW Orionis: “El anillo interno contiene polvo equivalente a 30 planetas Tierra, suficiente para que se forme un planeta en el anillo”. Si se llegara a confirmar la existencia de este exótico planeta mediante estudios adicionales —ya sea un planeta ya formado o en proceso de formación—, sería el primer planeta descubierto en órbita alrededor de tres estrellas, lo cual constituiría una órbita muy inusual.

El conjunto ALMA, del que ESO es socio, y el instrumento SPHERE del Very Large Telescope de ESO, han obtenido imágenes de GW Orionis, un sistema estelar triple con una peculiar región interior. A diferencia de los discos planos de formación de planetas que vemos alrededor de muchas estrellas, GW Orionis cuenta con un disco deformado, alterado por los movimientos de las tres estrellas que hay en su centro. Esta composición de imágenes muestra las observaciones del disco hechas tanto por ALMA como por SPHERE. La imagen de ALMA muestra la estructura anillada del disco, con el anillo más interno (parte de la cual es visible como un punto oblongo en el centro mismo de la imagen) separado del resto del disco. Las observaciones de SPHERE permitieron a los astrónomos ver por primera vez la sombra de este anillo más interno sobre el resto del disco, lo que les permitió reconstruir su forma alterada.  Crédito: ESO/Exeter/Kraus et al., ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Información adicional.

Los resultados de esta investigación se recogen en dos artículos:

 “A triple star system with a misaligned and warped circumstellar disk shaped by disk tearing” (‘Sistema estelar triple con disco circumestelar desalineado y curvado por ruptura de disco’), de S. Kraus et al., Science. https://doi.org/10.1126/science.aba4633

“GW Ori: Interactions between a Triple-star System and Its Circumtriple Disk in Action” (‘GW Ori: interacciones entre un sistema estelar triple y su disco circumtriple en acción’), de J. Bi et al., The Astrophysical Journal Letters. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab8eb4

El comunicado de prensa original fue publicado por el Observatorio Radioastronómico Nacional de los Estados Unidos (NRAO), socio de ALMA en nombre de América del Norte.

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).

Diecinueve antenas en el llano de Chajnantor. Esta imagen de las antenas de ALMA sobre el llano de Chajnantor, a 5000 metros de altura en los Andes chilenos, fue tomada pocos días antes del comienzo de la Ciencia Inicial con ALMA. En el llano se pueden ver diecinueve antenas. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/W. Garnier (ALMA)

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.

Enlaces de interés:

• Las extrañas órbitas de los discos planetarios de ‘Tatooine’.
• ALMA detecta complejos bulbos asimétricos en discos protoplanetarios.
• ALMA observa primera línea nieve-agua en disco protoplanetario gracias a erupción estelar.
• Publicación del artículo en ESO.

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• Publicado en ALMA el 3 de septiembre del 2020, enlace publicación.