Nacimiento de estrella triple: desentrañando el misterio con ALMA

Al observar las complejidades de la creación de estrellas, un equipo de investigación internacional ha revelado ideas sorprendentes sobre la formación de sistemas estelares triples. Dirigido por la profesora Jeong-Eun Lee de la Universidad Nacional de Seúl, el equipo recurrió al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para investigar la intrincada estructura de gas que rodea a las protoestrellas en el sistema triple, IRAS 04239+2436. A través de su estudio, captaron las señales de radio de las moléculas de monóxido de azufre (SO), similar a escuchar un susurro en una multitud bulliciosa. Estas señales actuaron como migas de pan cósmicas, lo que llevó al equipo al descubrimiento de tres colosales brazos espirales. Se descubrió que estos brazos servían como 'serpentinas', una cinta transportadora cósmica que transporta material a las estrellas recién nacidas. Al yuxtaponer sus observaciones con simulaciones computacionales dirigidas por el profesor Tomoaki Matsumoto de la Universidad de Hosei, el equipo descubrió los misteriosos orígenes de estas serpentinas. Esta es la primera vez que entendemos cómo se forman estas serpentinas en medio de la danza dinámica de la formación de estrellas, esclareciendo un proceso tan apasionante como complejo.

Impresión artística de las protoestrellas triples, IRAS 04239+2436. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) 

Las estrellas no siempre brillan solas. De hecho, más de la mitad nacen como parte de sistemas estelares múltiples. Pero exactamente cómo surgen estas estrellas múltiples es un misterio que la comunidad científica ha estado tratando de resolver durante mucho tiempo. Por lo tanto, resolver el misterio del mecanismo de formación de múltiples estrellas es muy importante para una teoría integral de la formación estelar. Hasta la fecha, se han propuesto varios escenarios para la formación de estrellas múltiples, pero aún no se ha llegado a un consenso al respecto. Para comprender el proceso de formación de múltiples estrellas, es necesario observar directamente el momento en que nacen múltiples protoestrellas (estrellas en formación), con la alta resolución y sensibilidad de ALMA.

Además, recientemente, los científicos que observaban estas estrellas bebés, o protoestrellas, notaron algo intrigante. Vieron estructuras hechas de gas, a las que llamaron 'serpentinas'. Estos ríos cósmicos fluyen y transportan materiales críticos directamente hacia las protoestrellas. La observación de las serpentinas es crucial porque muestran cómo las protoestrellas absorben el gas para crecer, pero aún no está claro cómo se forman estas serpentinas. Dado que se espera que los flujos de gas alrededor de las protoestrellas de los sistemas multiestelares tengan una estructura compleja, la observación detallada con la alta resolución de ALMA es una herramienta poderosa para investigar el origen de las serpentinas.

El equipo utilizó ALMA para observar las ondas de radio emitidas por moléculas de monóxido de azufre (SO) alrededor del joven sistema estelar múltiple IRAS 04239+2436. IRAS 04239+2436 es un "sistema de protoestrellas trinario", es decir, un sistema que consta de tres protoestrellas ubicadas a unos 460 años-luz. El equipo de investigación esperaba detectar moléculas de SO en el área donde están presentes las ondas de choque y ver un movimiento violento de gas alrededor de las protoestrellas. Como resultado de las observaciones, detectaron moléculas de SO alrededor de las protoestrellas triples. Descubrieron que la distribución de las moléculas de SO forma grandes brazos espirales que se extienden hasta 400 unidades astronómicas. Además, obtuvieron con éxito la velocidad del gas que contiene moléculas de SO basándose en el cambio de frecuencia de las ondas de radio debido al efecto Doppler.

De acuerdo con el análisis del movimiento del gas, se encontró que los brazos espirales trazados por las moléculas de SO son, de hecho, serpentinas que fluyen hacia las protoestrellas triples. "La característica más profunda de nuestras imágenes de ALMA son las grandes estructuras de múltiples brazos bien delineadas detectadas en las emisiones de SO", dice Lee, explicando la importancia de este descubrimiento. "Mi primera impresión fue que las estructuras parecían danzar juntas, girando alrededor del sistema protoestelar central. Sin embargo, más tarde descubrimos que estos brazos espirales son canales que transportan material a las estrellas en formación".

Para investigar más a fondo el movimiento del gas, el equipo comparó la velocidad del gas observada con simulaciones numéricas que modelan la formación de estrellas múltiples dentro de una nube de gas natal. Estas simulaciones se realizaron utilizando "ATERUI" y "ATERUI II" [1], supercomputadoras dedicadas a la astronomía en el Centro de Astrofísica Computacional del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ). En la simulación, se forman tres protoestrellas en la nube de gas, y el gas perturbado alrededor de las triples protoestrellas excita ondas de choque en forma de brazos espirales. "Descubrimos que los brazos espirales exhiben flujos de gas hacia las protoestrellas triples; son serpentinas que suministran gas a las protoestrellas", dice Matsumoto, quien dirigió las simulaciones numéricas en esta investigación. "La velocidad del gas derivada de las simulaciones y las observaciones coincide bien, lo que indica que la simulación numérica puede explicar el origen de las serpentinas".

El equipo investigó cómo nació esta triple protoestrella comparando las observaciones con las simulaciones numéricas. Hasta ahora, se han propuesto dos escenarios para la formación de múltiples estrellas. El primero es el 'escenario de fragmentación turbulenta', en el que la nube de gas turbulento se fragmenta en condensaciones de gas, cada una de las cuales evoluciona hacia una protoestrella. El segundo es el 'escenario de fragmentación del disco', donde el disco de gas que rodea un fragmento de protoestrella forma una nueva protoestrella, lo que lleva a múltiples estrellas. La triple protoestrella observada aquí puede explicarse por un escenario híbrido en el que el proceso de formación estelar comienza como una nube de gas natal turbulenta, similar al escenario de fragmentación turbulenta. Luego, las semillas de nuevas protoestrellas se producen en el disco, como en el escenario de fragmentación del disco, y la turbulencia del gas circundante hace que los brazos espirales se extiendan ampliamente. Los resultados de observación son muy similares a los resultados de la simulación, lo que indica que las protoestrellas triples observadas son los primeros objetos confirmados para demostrar la formación de múltiples estrellas en un escenario híbrido. Matsumoto dice: "Esta es la primera vez que se logra esclarecer de manera simultánea y completa el origen tanto de las protoestrellas como de las serpentinas. La poderosa sinergia entre las observaciones de ALMA y las simulaciones avanzadas está revelando los misterios ocultos de la formación estelar".

Lee sugiere que este estudio también arroja luz sobre la dificultad de la formación de planetas en sistemas estelares múltiples. Ella dice: "Los planetas nacen en discos de gas y polvo que se forman alrededor de las protoestrellas. En el caso de este sistema triple de protoestrellas, las protoestrellas están ubicadas dentro de un área pequeña, los discos alrededor de las protoestrellas son pequeños y las protoestrellas en órbita quitan los discos de otras protoestrellas. Los planetas se forman en un entorno tranquilo durante un largo período. Por lo tanto, es poco probable que IRAS 04239+2436 sea un entorno propicio para la formación de planetas".

Matsumoto analiza el impacto de este estudio en nuestra comprensión de la formación de estrellas múltiples. "La observación real de un sistema de estrellas múltiples en formación a través del escenario híbrido contribuirá significativamente a resolver los debates sobre los escenarios de formación de estrellas múltiples. Además, esta investigación confirmó la existencia de las serpentinas notadas recientemente y explicó cómo se formaron, marcando un avance significativo."

Nota

[1] "ATERUI" y "ATERUI II": las supercomputadoras de NAOJ dedicadas a simulaciones numéricas en astronomía, operadas por CfCA en el campus de NAOJ Mizusawa (ciudad de Oshu, prefectura de Iwate, Japón). ATERUI (Cray XC30) estuvo en funcionamiento desde 2013 hasta 2018, con un rendimiento máximo teórico de 1.058 petaflops (1 petaflops representa un rendimiento de un quintillón de cálculos por segundo). ATERUI II (Cray XC50) ha estado en funcionamiento desde 2018, y su rendimiento máximo teórico de 3.087 petaflops lo convierte en la supercomputadora dedicada a la astronomía más rápida del mundo.

Información adicional

Esta investigación fue presentada en el artículo "Triple spiral arms of a triple protostar system imaged in molecular lines" por Jeong-Eun Lee et al. en el Astrophysical Journal el 4 de agosto de 2023 (doi: 10.3847/1538-4357/acdd5b).

Este trabajo cuenta con el apoyo de la subvención de la Fundación Nacional de Investigación (NRF) de Corea financiada por el Ministerio de Ciencia y TIC (MSIT) del gobierno de la República de Corea (número de subvención 2021R1A2C1011718), el Ministerio de Educación de Taiwán (número de subvención 110J0353I9), el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (número de concesión 111B3005191) y JSPS KAKENHI (números de concesión JP17K0539, JP18H05437, JP20H05645, JP23K03464).

Este comunicado está basado en el comunicado original del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), socio de ALMA en nombre de Asia del Este.

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Publicado en ALMA el 4 de agosto del 2023, enlace publicación.