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(6 Abril, 2025 ALMA/CA) Desde que ALMA captó la impactante imagen de HL Tau en 2014, que reveló intrincados anillos y espacios en un disco alrededor de una estrella recién formada, los astrónomos han buscado comprender cómo pudieron surgir estructuras tan complejas tan temprano.

Imagen arriba: Imagen detallada de la estructura del disco alrededor de HL Tau tomada en 2014. Revela detalles extraordinariamente finos, nunca antes vistos en el disco de formación planetaria alrededor de una estrella joven. Crédito: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ).

Ahora, utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ubicado en la Comuna de San Redro de Atacama, Chile y simulaciones computacionales avanzadas, un equipo de investigación liderado por Santiago Orcajo, del Instituto de Astrofísica de La Plata, en colaboración con investigadores del Núcleo del Milenio Núcleo Sobre Exoplanetas Jóvenes y sus Lunas de Chile, ha presentado un nuevo modelo que traza la evolución de estos discos a través de cinco etapas. Los resultados respaldan firmemente el origen planetario de estas subestructuras y ofrecen nuevas perspectivas sobre cómo los planetas interactúan con los discos en los que se forman.

Los discos protoplanetarios son la cuna de los sistemas planetarios, y comprender su evolución es crucial para comprender los procesos de formación planetaria. La sorprendente imagen de HL Tau captada por ALMA en 2014 impulsó a los astrónomos a preguntarse: ¿Cómo es posible que un sistema protoestelar joven presente ya anillos y huecos tan bien definidos?

Imagen arriba: Etapas de la secuencia evolutiva propuesta por el proyecto Ophiuchus Disk Survey Employing ALMA (ODISEA). Crédito: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ).

El equipo de Orcajo ha logrado reproducir cada una de las etapas de la secuencia evolutiva propuesta por el proyecto Ophiuchus Disk Survey Employing ALMA (ODISEA) en 2021, aportando evidencia sólida que respalda el escenario de formación planetaria. Esto también podría confirmar los mecanismos por los cuales los planetas gigantes afectan la dinámica del polvo y la formación de subestructuras como brechas y anillos.

La secuencia ODISEA propone categorizar los discos protoplanetarios en cinco etapas distintas, cada una caracterizada por características específicas relacionadas con la formación planetaria.

Las observaciones indican que los discos jóvenes (Etapa I 1 ) presentan una subestructura mínima. Al mismo tiempo, a medida que los protoplanetas crecen, comienzan a excavar espacios y a crear anillos (Etapas II 2 y III 3 ) debido a sus interacciones gravitacionales con el material circundante. Estos espacios indican la presencia de planetas gigantes, que pueden formarse en aproximadamente 1 millón de años o menos a distancias significativas de sus estrellas anfitrionas. Grandes cavidades centrales de polvo se hacen evidentes a medida que los discos evolucionan (Etapas IV 4 y V 5 [5] ), lo que marca una evolución avanzada debido a las interacciones entre el disco y los planetas en formación.

Los planetas gigantes influyen significativamente en la dinámica del polvo dentro de los discos protoplanetarios al crear brechas y protuberancias de presión que alteran la distribución del gas y el polvo. Simulaciones computacionles con modelos como PlanetaLP han demostrado cómo estos efectos gravitacionales dan lugar a características observables en el disco, que pueden compararse directamente con las observaciones de alta resolución de ALMA.

Las implicaciones de este trabajo son significativas, especialmente para la interpretación de la imagen original de HL Tau. « Este tipo de estudio es de gran relevancia para ALMA, ya que respalda uno de los descubrimientos más emblemáticos del conjunto », afirmó Antonio Hales, astrónomo de ALMA y coautor del estudio. « Al demostrar que estas estructuras probablemente se deben a la formación de planetas, no solo observamos discos, sino que observamos el proceso de formación planetaria en tiempo real. ALMA se convierte no solo en un generador de imágenes de discos, sino en una potente herramienta para la detección de planetas » .

Los hallazgos también resaltan los desafíos actuales para explicar cómo los planetas masivos pueden formarse tan rápidamente y tan lejos de sus estrellas anfitrionas. A medida que la investigación continúa, la detección de planetas rocosos menores en discos más tenues sigue siendo un objetivo prometedor y ambicioso para comprender el origen de sistemas planetarios como el nuestro.

ETAPAS DE EVOLUCIÓN PLANETARIA EN EL DISCO

Etapa I: Discos muy jóvenes con subestructuras superficiales o sin subestructuras obvias, correspondientes a una época en la que los protoplanetas no son lo suficientemente masivos como para crear huecos notables en los discos. ??
Etapa II: Discos con espacios y anillos relativamente estrechos, pero claros, lo que indica el crecimiento de protoplanetas ??
Etapa III: Una rápida ampliación de las brechas debido al repentino crecimiento de la masa de algunos planetas al adquirir sus envolturas gaseosas. Esta etapa incluye la rápida acumulación de polvo en los bordes exteriores de las brechas (los bordes internos de los discos externos ) debido a las fuertes presiones causadas por los planetas gigantes recién formados, lo que detiene la deriva de polvo hacia el interior.
Etapa IV: Filtración de polvo en los bordes de las cavidades, lo que resulta en discos internos sin polvo. El polvo milimétrico de los discos externos se filtra eficientemente y se acumula en los bordes de los huecos .
Etapa V: Finalmente, los discos internos polvorientos se drenan completamente sobre las estrellas y los discos externos se convierten en anillos estrechos (o conjuntos de anillos estrechos).