Chorro de estrella bebé incide en proceso de formación estelar en región cercana

Un equipo científico reveló rápidas emisiones de gas desde una estrella bebé que chocan fuertemente con gas denso cercano donde está naciendo un grupo de estrellas bebé. El resultado sugiere que la colisión del flujo de salida sacude la cuna de las estrellas bebés y tiene un impacto significativo en el proceso de formación de estrellas en curso. Este estudio proporciona información sobre el proceso en que surgen las estrellas en regiones donde se crean cúmulos donde las estrellas bebés nacen simultáneamente en un entorno complejo y abarrotado.

Representación artística de la región de formación de cúmulos OMC-2 FIR 3/4, donde ALMA reveló complejos procesos de formación estelar. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), A. Sato et al. 

Las estrellas bebé o protoestrellas se forman mediante el colapso de densos núcleos de polvo y gas. Mientras esto ocurre, parte del material que la alimenta es eyectado hacia fuera. Este fenómeno, conocido como chorro molecular, presenta una estructura bipolar colimada, y puede llegar a ser más de un millón de veces más grande que la protoestrella. Por eso, el chorro molecular es mucho más fácil de detectar que su compacta protoestrella, y puede ser una poderosa herramienta para estudiar los lugares donde se forman las protoestrellas.

La mayoría de las estrellas se forman junto con otras estrellas, en lugares abarrotados conocidos como cúmulos. Los estudios teóricos predicen que los chorros observados en los cúmulos de formación estelar desempeñan un papel importante y pueden desencadenar (o al menos facilitar) nuevas actividades de formación de estrellas. Por otro lado, los procesos de formación estelar en curso pueden verse afectados por chorros moleculares cercanos. Aunque se sabe que los procesos de formación estelar son comunes en los cúmulos, los estudios observacionales que buscan resolver las protoestrellas individuales dentro de los cúmulos aún son limitados, debido a que estas se encuentran relativamente lejos de nosotros. El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) es una poderosa herramienta que ayuda a resolver las distribuciones de polvo y gas y revelar los complejos procesos de formación estelar en regiones donde se forman los cúmulos.

Imagen compuesta de la región de formación de cúmulos OMC-2 FIR3/4 obtenida con ALMA (en rojo se representa el gas de monóxido de carbono; en naranja, las emisiones del polvo; y en azul, el gas de monóxido de silicio). Las zonas donde los colores son más claros equivalen a señales de radio más intensas. La región FIR 3 se ubica en la zona superior izquierda de la imagen, mientras que FIR 4 corresponde a la parte inferior derecha. El chorro molecular gigante emanado de la protoestrella en la región FIR 3 (en rojo) entra en colisión con la nube molecular filamentosa (en naranja) y se comprime (en rosado). El chorro de gas también choca con gas denso hacia el final de su trayectoria (en naranja), donde se forman varias estrellas nuevas (señaladas por círculos verdes en la región FIR 4). El gas de monóxido de silicio revela las capas de choque (en azul claro). La barra blanca en la esquina inferior derecha muestra una escala de 4.000 unidades astronómicas (UA). Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), A. Sato et al. 

Asako Sato, estudiante de posgrado de la Universidad de Kyushu en Japón, usó ALMA junto con su equipo, para observar las regiones FIR 3 y FIR 4 de la nube molecular de Orión -2 (conocida como OMC-2). OMC-2 es una de las regiones de formación de cúmulos más cercanas que se conocen, pues se encuentra a 1.400 años luz de nosotros, en la constelación de Orión. El equipo científico estudió la distribución espacial del polvo y del gas de monóxido de carbono (CO) y monóxido de silicio (SiO). Al ser uno de los componentes principales de los procesos de formación de material denso, el polvo es un buen indicio de la presencia de núcleos densos, donde se forman las protoestrellas. El CO, en tanto, es la segunda molécula más abundante del Universo después del hidrógeno, y al emitir intensas señales en longitudes de onda milimétricas, permite detectar chorros moleculares. Por último, las emisiones de SiO se usan para detectar regiones que han sido sometidas a intensas ondas de choque. Las colisiones entre los chorros moleculares bipolares y el material circundante suelen despojar los granos de polvo de su silicio (Si), que luego reacciona con el oxígeno (O) y termina formando SiO. Gracias a la alta sensibilidad de ALMA, el equipo científico pudo detectar el doble de erupciones moleculares que en los estudios sobre las regiones FIR 3 y FIR 4 realizados anteriormente.

El estudio reveló un chorro molecular gigante generado por una protoestrella en la región FIR 3 en fuerte colisión con la región FIR 4, que alberga varias protoestrellas en formación. Las observaciones de ALMA también revelaron con claridad unas capas de choque entre el chorro molecular y el denso material de la región FIR 4. “El chorro molecular proviene de la zona superior izquierda de la imagen y entra en colisión con la región FIR 4 que se aprecia en la parte inferior derecha. Se ven claramente dos densas capas de choque compuestas de gas de SiO (representadas en azul en la región FIR 4, en la figura 2)”, señala Satoko Takahashi, astrónoma del Observatorio Astronómico Nacional de Japón y coautora del estudio. En la imagen también se aprecia que el gas de CO del chorro choca con una nube molecular filamentosa (representada en naranja en la figura 2) y luego se comprime (en rosado en la figura 2). El equipo también comprobó que el polvo presente en las nubes moleculares filamentosas puede ser calentado por la colisión con el chorro molecular. Por último, al interior de las nubes comprimidas, el equipo detectó fuentes de polvo fragmentadas, donde en el futuro podrían formarse incubadoras de estrellas.

En este estudio no se pudo determinar a ciencia cierta si la actividad de formación estelar en la región de formación de cúmulos FIR 4 era desencadenada por la colisión con el chorro molecular gigante o si esta ya había empezado antes de la colisión. “Aunque no dilucidamos totalmente los dos escenarios de formación estelar, las observaciones revelaron los fuertes choques provocados por la colisión entre el chorro y la región FIR 4. Esto significa que la colisión debe de haber afectado la actividad existente allí de formación estelar”, afirma Asako Sato, autora principal del estudio, quien expresa, además, su ambición de realizar nuevas observaciones con ALMA para responder esta interrogante. “Cómo evolucionarán las protoestrellas de la región FIR 4 y cómo surgirán estrellas masivas son preguntas que podrán responderse estudiando el movimiento del gas comprimido por el ingente chorro molecular bipolar, que podría fluir hacia el centro del cúmulo o bien causar la destrucción de la incubadora”.

Imagen compuesta de la región de formación de cúmulos OMC-2 FIR3/4 obtenida con ALMA (en rojo se representa el gas de monóxido de carbono; en naranja, las emisiones del polvo; y en azul, el gas de monóxido de silicio). Las zonas donde los colores son más claros equivalen a señales de radio más intensas. La región FIR 3 se ubica en la zona superior izquierda de la imagen, mientras que FIR 4 corresponde a la parte inferior derecha. El chorro molecular gigante emanado de la protoestrella en la región FIR 3 (en rojo) entra en colisión con la nube molecular filamentosa (en naranja) y se comprime (en rosado). El chorro de gas también choca con gas denso hacia el final de su trayectoria (en naranja), donde se forman varias estrellas nuevas (señaladas por círculos verdes en la región FIR 4). El gas de monóxido de silicio revela las capas de choque (en azul claro). La barra blanca en la esquina inferior derecha muestra una escala de 4.000 unidades astronómicas (UA). Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), A. Sato et al. 

Estas observaciones han permitido obtener imágenes directas del impacto de chorros moleculares en los procesos de formación de estrellas en un cúmulo de formación estelar. Mediante estudios adicionales se podrá entender mejor el proceso de formación estelar en el entorno de formación de cúmulos.

Información adicional

El estudio ‘Catálogo fragmentado de ALMA de fuentes de Orión [FraSCO] I. Interacción de chorro en cúmulo albergado en OMC-2/FIR3, FIR 4 y FIR 5” se publica el 14 de febrero de 2023 en The Astrophysical Journal (doi: 10.48550/arXiv.2211.12140).

Autores: Asako Sato (Universidad de Kyushu), Satoko Takahashi (NAOJ/SOKENDAI), Shun Ishii (NAOJ/SOKENDAI), Paul T. P. Ho (ASIAA/EAO), Masahiro N. Machida (Universidad de Kyushu), John Carpenter (JAO), Luis A. Zapata (UNAM), Paula Stella Teixeira (Universidad de St. Andrews) y Sumeyye Suri (Universidad de Viena)

La investigación se financió con fondos de la Beca de Investigación Científica de ALMA NAOJ no 2020-22B. El presente estudio se financió con fondos JSPS KAKENHI (JP17H06360, JP17K05387, JP17KK0096, JP21H00046, JP21K03617, 20K04034), así como el fondo CONACyT-280775 y el fondo UNAM-PAPIIT IN110618 de México. El proyecto también contó con financiamiento del Consejo Europeo de Investigación (CEI) en el marco del programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea (fondo n.º 851435).

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 Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán (NSTC), 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.

Publicado en ALMA el 3 de febrero del 2023, enlace publicación.