Primera detección inequívoca de un disco formador de lunas alrededor de un exoplaneta

Utilizando el Atacama Large Millimetre/submillimeter Array (ALMA), del que el Observatorio Europeo Austral (ESO) es socio, la comunidad astronómica ha detectado inequívocamente, y por primera vez, la presencia de un disco alrededor de un planeta fuera de nuestro Sistema Solar. Las observaciones arrojarán nueva luz sobre cómo se forman las lunas y los planetas en los sistemas estelares jóvenes.

Esta imagen, tomada con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), del que ESO es socio, muestra una imagen de amplio campo (izquierda) y una ampliación (derecha) del disco lunar que rodea a PDS 70c, un planeta joven similar a Júpiter a casi 400 años luz de distancia. La ampliación muestra a PDS 70c y a su disco circumplanetario centrado y de frente, con el gran disco circunestelar en forma de anillo ocupando la mayor parte del lado derecho de la imagen. La estrella PDS 70 está en el centro de la imagen de amplio campo, a la izquierda. Se han descubierto dos planetas en el sistema, PDS 70c y PDS 70b, aunque este último no es visible en esta imagen. Han horadado una cavidad en el disco circunestelar mientras engullían material del propio disco, creciendo en tamaño. En este proceso, PDS 70c adquirió su propio disco circumplanetario, que contribuye al crecimiento del planeta y donde se pueden formar lunas. Este disco circumplanetario es tan grande como la distancia Sol-Tierra y tiene suficiente masa para formar hasta tres satélites del tamaño de la Luna. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.

"Nuestro trabajo presenta una clara detección de un disco en el que podrían estar formándose satélites", afirma Myriam Benisty, investigadora de la Universidad de Grenoble (Francia) y de la Universidad de Chile, quien ha liderado esta nueva investigación publicada hoy en The Astrophysical Journal Letters."Nuestras observaciones con ALMA se obtuvieron a una resolución tan exquisita que pudimos identificar claramente que el disco está asociado con el planeta y pudimos restringir su tamaño por primera vez", añade.

El disco en cuestión, llamado disco circumplanetario, rodea al exoplaneta PDS 70c, uno de los dos planetas gigantes similares a Júpiter que orbitan a una estrella que se encuentra a casi 400 años luz de distancia. La comunidad astronómica ya había detectado antes indicios de la presencia de un disco "formador de lunas" alrededor de este exoplaneta, pero, como no podían distinguir claramente el disco de su entorno circundante, no han podido confirmar su detección hasta ahora.

Además, con la ayuda de ALMA, Benisty y su equipo descubrieron que el disco tiene aproximadamente el mismo diámetro que la distancia que hay entre nuestro Sol y la Tierra, y suficiente masa como para formar hasta tres satélites del tamaño de la Luna.

Pero los resultados no solo son clave para descubrir cómo surgen las lunas. "Estas nuevas observaciones también son extremadamente importantes para probar teorías sobre formación de planetas que no se han podido corroborar hasta ahora", afirma Jaehan Bae, investigador del Laboratorio de la Tierra y los Planetas de la Institución Carnegie para la Ciencia (EE.UU.) y uno de los autores del estudio.

Esta imagen, tomada con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), del que ESO es socio, muestra el sistema PDS 70, ubicado a casi 400 años luz de distancia y aún en proceso de formación. El sistema cuenta con una estrella en su centro y al menos dos planetas orbitando alrededor de ella, PDS 70b (no visible en la imagen) y PDS 70c, rodeado por un disco circumplanetario (el punto a la derecha de la estrella). Los planetas han horadado un hueco en el disco circunestelar (la estructura en forma de anillo que domina la imagen) a medida que engullían material del propio disco, creciendo en tamaño. Durante este proceso, PDS 70c adquirió su propio disco circumplanetario, que contribuye al crecimiento del planeta y en el cual se pueden formar lunas. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.

Los planetas se forman en discos polvorientos alrededor de estrellas jóvenes, horadando huecos a medida que engullen el material de este disco circunestelar que les permite crecer. En este proceso, un planeta puede adquirir su propio disco circumplanetario, que contribuye al crecimiento del planeta regulando la cantidad de material que cae sobre él. Al mismo tiempo, el gas y el polvo del disco circumplanetario pueden unirse en cuerpos cada vez más grandes a través de múltiples colisiones, lo que finalmente conduce al nacimiento de lunas.

Pero la comunidad astronómica aún no entienden por completo los detalles de estos procesos. "En resumen, todavía no está claro cuándo, dónde y cómo se forman los planetas y las lunas", explica Stefano Facchini, investigador Fellow de ESO, también involucrado en la investigación.

"Hasta ahora se han encontrado más de 4000 exoplanetas, pero todos han sido detectados en sistemas maduros. PDS 70b y PDS 70c, que forman un sistema que recuerda al par Júpiter-Saturno, son los dos únicos exoplanetas detectados hasta ahora que aún están en proceso de formación", explica Miriam Keppler, investigadora del Instituto Max Planck de Astronomía (Alemania) y una de las coautoras del estudio.[1]

"Por lo tanto, este sistema nos ofrece una oportunidad única para observar y estudiar los procesos de formación de planetas y satélites", añade Facchini.

PDS 70b y PDS 70c, los dos planetas que componen el sistema, fueron descubiertos por primera vez utilizando el Very Large Telescope (VLT) de ESO en 2018 y 2019 respectivamente, y dada su naturaleza única se han observado con otros telescopios e instrumentos muchas veces desde entonces [2].

Esta imagen, tomada con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), del que ESO es socio, muestra una vista de cerca del disco lunar que rodea a PDS 70c, un joven gigante gaseoso similar a Júpiter a casi 400 años luz de distancia. Vemos al planeta y su disco en la zona central, de frente, con el gran disco circunestelar en forma de anillo ocupando la mayor parte del lado derecho de la imagen. El polvoriento disco circumplanetario es tan grande como la distancia Sol-Tierra y tiene suficiente masa como para formar hasta tres satélites del tamaño de la Luna. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.

Ahora, las últimas observaciones de alta resolución de ALMA, han permitido a la comunidad astronómica obtener más información sobre el sistema. Además de confirmar la detección del disco circumplanetario alrededor de PDS 70c y estudiar su tamaño y masa, descubrieron que PDS 70b no muestra evidencia clara de tener este tipo de disco, lo que indica que PDS 70c consumió toda la materia polvorienta que se encontraba en su lugar de nacimiento.

El Telescopio Extremadamente Grande (ELT) de ESO, actualmente en construcción en Cerro Armazones, en el desierto chileno de Atacama proporcionará un conocimiento más profundo sobre este sistema planetario: "El ELT será clave para esta investigación ya que, con su resolución, mucho más alta, podremos mapear el sistema con gran detalle", declara el coautor Richard Teague, investigador del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian (EE.UU.) En particular, mediante el uso del instrumento METIS(Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph, instrumento para espectrografía e imagen en el infrarrojo medio del ELT), el equipo podrá observar los movimientos del gas que rodea a PDS 70c con el fin de obtener una imagen 3D completa del sistema.

Notas

[1] A pesar de la similitud con el par Júpiter-Saturno, hay que tener en cuenta que el disco alrededor de PDS 70c es aproximadamente 500 veces más grande que los anillos de Saturno.

[2] PDS 70b fue descubierto usando el instrumento SPHERE (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research, búsqueda de exoplanetas con espectropolarimetría de alto contraste), mientras que PDS 70c fue detectado usando el instrumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer, explorador espectroscópico multi unidad) del VLT. El sistema de dos planetas también ha sido estudiado usando el instrumento X-shooter, también instalado en el VLT de ESO.

Información adicional

Este trabajo de investigación se ha presentado en el artículo científico “A Circumplanetary Disk Around PDS 70c” que aparece en la revista The Astrophysical Journal Letters.

El equipo está formado por Myriam Benisty (Unidad Mixta Internacional Franco-Chilena de Astronomía, CNRS, Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago de Chile, Chile y Universdad Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, Francia [UGA]); Jaehan Bae (Laboratorio de la Tierra y los Planetas, Institución Carnegie para la Ciencia, Washington DC, EE.UU.); Stefano Facchini (Observatorio Europeo Austral, Garching, cerca de Múnich, Alemania); Miriam Keppler (Instituto Max Planck de Astronomía, Heidelberg, Alemania [MPIA]); Richard Teague (Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian, Cambridge, MA, EE.UU. [CfA]); Andrea Isella (Departamento de Física y Astronomía, Universidad Rice, Houston, TX, EE.UU.); Nicolas T. Kurtovic (MPIA); Laura M. Perez (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago de Chile, Chile [UCHILE]); Anibal Sierra (UCHILE); Sean M. Andrews (CfA); John Carpenter (Observatorio Conjunto Joint ALMA, Santiago de Chile, Chile); Ian Czekala (Departamento de Astronomía y Astrofísica, Universidad Estatal de Pensilvania, PA, EE.UU., Centro de Exoplanetas y Mundos Habitables, Laboratorio Davey, Universidad Estatal de Pensilvania, PA, EE.UU., Centro de Astroestadística, Laboratorio Davey, Universidad Estatal de Pensilvania, PA, EE.UU., e Instituto de Ciencias Computacionales y de Datos, Universidad Estatal de Pensilvania, PA, EE.UU.); Carsten Dominik (Instituto Anton Pannekoek de Astronomía, Universidad de Ámsterdam, Países Bajos); Thomas Henning (MPIA); Francois Menard (UGA); Paola Pinilla (MPIA y Laboratorio Mullard de Ciencias Espaciales, University College de Londres, Holmbury St Mary, Dorking, Reino Unido); y Alice Zurlo (Núcleo de Astronomía, Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad Diego Portales, Santiago de Chile, Chile and Escuela de Ingeniería Industrial, Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad Diego Portales, Santiago de Chile, Chile).

ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico basado en tierra más productivo del mundo. Cuenta con dieciséis países miembros: Alemania, Austria, Bélgica, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Irlanda, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza, junto con Chile, país anfitrión, y Australia como aliado estratégico. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de potentes instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desempeña un importante papel promoviendo y organizando la cooperación en investigación astronómica. ESO opera en Chile tres instalaciones de observación únicas en el mundo: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope junto con su interferómetro VLTI (Very Large Telescope Interferometer), el más avanzado del mundo, así como dos telescopios de rastreo: VISTA (siglas en inglés de Telescopio de Rastreo Óptico e Infrarrojo para Astronomía), que trabaja en el infrarrojo, y el VST (VLT Survey Telescope, Telescopio de Rastreo del VLT), que rastrea en luz visible. También en Paranal, ESO albergará y operará el CTA Sur (Cherenkov Telescope Array South), el observatorio de rayos gamma más grande y sensible del mundo. ESO también es socio principal de dos instalaciones en Chajnantor, APEX y ALMA, actualmente el mayor proyecto astronómico en funcionamiento del mundo. Finalmente, en Cerro Armazones, cerca de Paranal, ESO está construyendo el ELT (Extremely Large Telescope), de 39 metros, que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.

El conjunto ALMA, (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) es una instalación astronómica internacional fruto de la colaboración entre ESO, la Fundación Nacional para la Ciencia de EE.UU. (NSF, National Science Foundation) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS, National Institutes of Natural Sciences) en cooperación con la República de Chile. ALMA está financiado por ESO en nombre de sus países miembros; por la NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC, National Research Council) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología (MOST, Ministry of Science and Technology), y por el NINS en cooperación con la Academia Sínica (AS) de Taiwán y el Instituto de Astronomía y Ciencias Espaciales de Corea (KASI, Korea Astronomy and Space Science Institute). La construcción y operaciones de ALMA están lideradas por ESO en nombre de sus países miembros; por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO, National Radio Astronomy Observatory), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de América del Norte; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ, National Astronomical Observatory of Japan) en representación de Asia Oriental. El Observatorio Conjunto ALMA (JAO, Joint ALMA Observatory) proporciona al proyecto la unificación tanto del liderazgo como de la gestión de la construcción, puesta a punto y operaciones de ALMA.

El fotoembajador de ESO, Babak Tafreshi, tomó esta notable imagen de las antenas del Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), frente al esplendor de la Vía Láctea. La riqueza del cielo en esta imagen atestigua las insuperables condiciones para la astronomía en la meseta de Chajnantor, de 5000 metros de altura, en la región chilena de Atacama. Esta vista muestra las constelaciones de Carina (La quilla) y Vela (Las velas). Las oscuras y tenues nubes de polvo de la Vía Láctea se extienden desde el medio superior izquierdo al medio inferior derecho. La estrella naranja brillante en la parte superior izquierda es Suhail en Vela, mientras que la estrella naranja similar en el medio superior es Avior, en Carina. De las tres estrellas azules brillantes que forman una "L" cerca de estas estrellas, las dos de la izquierda pertenecen a Vela y la de la derecha a Carina. Y exactamente en el centro de la imagen debajo de estas estrellas brilla el resplandor rosado de la Nebulosa Carina (eso1208). ESO, el socio europeo de ALMA, está proporcionando 25 de las 66 antenas que compondrán el telescopio completo. Las dos antenas más cercanas a la cámara, en las que el espectador atento puede encontrar las marcas “DA-43” y “DA-41”, son ejemplos de estas antenas europeas. La construcción del conjunto completo de ALMA se completará en 2013, pero el telescopio ya está realizando observaciones científicas con un conjunto parcial de antenas. Babak Tafreshi es el fundador de The World At Night, un programa para crear y exhibir una colección de impresionantes fotografías y videos secuenciales de los sitios más bellos e históricos del mundo con un telón de fondo nocturno de estrellas, planetas y eventos celestiales. ALMA, una instalación astronómica internacional, es una asociación de Europa, América del Norte y Asia Oriental en cooperación con la República de Chile. La construcción y las operaciones de ALMA están dirigidas en nombre de Europa por ESO, en nombre de Norteamérica por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) y en nombre de Asia Oriental por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ). El Observatorio Conjunto ALMA (JAO) proporciona el liderazgo y la gestión unificados de la construcción, puesta en marcha y operación de ALMA.

Las traducciones de las notas de prensa de ESO las llevan a cabo miembros de la Red de Divulgación de la Ciencia de ESO (ESON por sus siglas en inglés), que incluye a expertos en divulgación y comunicadores científicos de todos los países miembros de ESO y de otras naciones.

El nodo español de la red ESON está representado por J. Miguel Mas Hesse y Natalia Ruiz Zelmanovitch.

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• Publicado en ESO-España el 22 de julio del 2021, enlace publicación.