(06 Junio 2013 ESO/CA) Utilizando el nuevo conjunto de radio-telescopios ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) y el telescopio óptico e infrarrojo VLT de Paranal, un equipo de astrónomos ha conseguido obtener una imagen de la región que rodea a una joven estrella donde las partículas de polvo pueden crecer por acumulación (acreción). Es la primera vez que este tipo de disco de polvo ha sido modelado y observado claramente. Soluciona el eterno misterio sobre cómo las partículas de polvo en los discos proto-planetarios crecen, alcanzando tamaños mayores, de manera que, finalmente, a partir de las aglomeraciones de polvo pueden formar cometas, planetas y otros cuerpos rocosos. Los resultados se han publicado en la revista Science el 7 de junio de 2013.
Imagen arriba: Impresión artística del disco de polvo acumulado alrededor de la estrella Oph-IRS 48. El disco de polvo forma una trampa que proporciona un refugio para las pequeñas rocas del disco, permitiendo que se fusionen y crezcan hasta alcanzar tamaños que les permitan sobrevivir por sí solas.
Los astrónomos saben que hay numerosos planetas y objetos alrededor del Sol de otras estrellas. Pero no terminan de comprender del todo cómo se forman y hay muchos aspectos de la formación de los cometas, planetas y otros cuerpos rocosos que siguen siendo un misterio. Ahora, utilizando el gran potencial de ALMA, se han llevado a cabo nuevas observaciones que ofrecen respuestas a las grandes preguntas: ¿cómo pueden los diminutos granos de polvo del disco que rodea a estrellas jóvenes crecer y hacerse cada vez más grandes hasta, finalmente, convertirse en escombros, e incluso en rocas que bien pueden superar el metro de tamaño?
Los modelos computacionales sugieren que los granos de polvo crecen tras chocar y quedarse pegados. Sin embargo, cuando estos granos de mayor tamaño chocan de nuevo a grandes velocidades, por lo general se rompen en pedazos y vuelven a su situación anterior. Incluso cuando esto no ocurre, los modelos muestran que los granos de mayor tamaño se moverían rápidamente hacia el interior debido a la fricción entre el polvo y el gas y caerían sobre su estrella anfitriona, sin darles la oportunidad de seguir creciendo.
De algún modo, el polvo necesita un refugio seguro en el que las partículas puedan seguir creciendo hasta que sean lo suficientemente grades como para sobrevivir por sí solas [1]. Ya se había propuesto antes la existencia de estas “trampas de polvo”, pero hasta el momento no había pruebas observacionales.
Nienke van der Marel (estudiante de doctorado de la Universidad de Leiden, en los Países Bajos, y autora principal del artículo), junto con sus colaboradores, utilizó ALMA para estudiar el disco en un sistema llamado Oph-IRS 48 [2]. Descubrieron que la estrella estaba circundada por un anillo de gas con un hueco central, probablemente creado por un planeta no visto o una estrella compañera. Observaciones anteriores realizadas con el telescopio VLT (Very Large Telescope) de ESO ya habían mostrado que las pequeñas partículas de polvo también formaban una estructura de anillo similar. Pero la nueva visión de ALMA del lugar en el que se encontraron partículas de polvo mayores que un milímetro ¡era muy diferente!
“De partida, la forma del polvo en la imagen fue una completa sorpresa”, afirma van der Marel. “En lugar del anillo que esperábamos ver, ¡descubrimos algo que claramente tenía forma de anacardo (árbol enmarañado)! Tuvimos que convencernos a nosotros mismos de que esa forma era real, pero la fuerte señal y la claridad de las observaciones de ALMA no dejaban lugar a dudas en cuanto a la estructura. Entonces nos dimos cuenta de lo que habíamos descubierto”.
Se trata de una región en la que los granos de polvo de mayor tamaño han sido atrapados y han podido crecer mucho más al chocar y quedarse pegados. Era una trampa de polvo — justo lo que andaban buscando los teóricos.
Derecha: Imagen que combina datos obtenidos por ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) en la frecuencia submilimétrica (0.44-mm) con la obtenida por el Espectrómetro para luz infrarroja media (VISIR) 18.7-µm del VLT, lo que permite observar la totalidad del disco. La gran asimetría de la emisión de polvo entre las partes norte y sur del disco (de al menos un factor 130) indica la presencia de esta trampa de polvo, que proporciona un refugio para las pequeñas partículas del disco, permitiendo que se agrupen y crezcan hasta alcanzar tamaños que les permitan sobrevivir.
Tal y como explica van der Marel: “Es probable que estemos observando una especie de fábrica de cometas, ya que las condiciones son las adecuadas para que las partículas crezcan desde un tamaño milimétrico hasta un tamaño cometario. No es probable que el polvo forme planetas a esa distancia de la estrella. Pero en un futuro no muy lejano ALMA podrá observar esas trampas de polvo más cerca de la estrella anfitriona, en las que están en funcionamiento los mismos mecanismos. Este tipo de trampas de polvo sí serían la cuna de planetas recién nacidos”.
La trampa de polvo se forma a medida que partículas de polvo de mayor tamaño se mueven hacia regiones de mayor presión. Los modelos informáticos muestran que estas regiones de alta presión pueden originarse a partir de movimientos del gas situado al extremo de un agujero de gas — justo como el que se ha encontrado en este disco.
“La combinación de los trabajos de modelado junto con las observaciones de alta calidad de ALMA hacen de este un proyecto único”, afirma Cornelis Dullemond, del Instituto de Teoría Astrofísica, en Heidelberg (Alemania), experto en evolución del polvo y modelado de discos y miembro del equipo. “Cuando se llevaron a cabo estas observaciones estábamos trabajando en modelos que predecían exactamente este tipo de estructuras: una afortunada coincidencia”.
Las observaciones se llevaron a cabo cuando el conjunto ALMA aún estaba en construcción. Utilizaron los receptores de banda 9 de ALMA [3] — unos dispositivos fabricados en Europa que permiten a ALMA crear las imágenes más nítidas que se han obtenido hasta el momento.
“Estas observaciones demuestran que ALMA es capaz de proporcionar ciencia revolucionaria, incluso con menos de la mitad de las antenas en uso”, afirma Ewine van Dishoeck, del Observatorio de Leiden, que ha sido uno de los principales colaboradores del proyecto ALMA durante más de 20 años. “El increíble salto, tanto en sensibilidad como en nitidez, de las imágenes obtenidas en la banda 9, nos ofrece la oportunidad de estudiar aspectos básicos de la formación planetaria de maneras que, sencillamente, antes no eran posibles”.
Video: Zoom in de la región de la Vía Láctea donde se encuentra el sistema Oph-IRS 48 observado por ALMA y el VLT.
Imagen: Este mapa en negativo muestra la región del cielo donde se encuentra la gran constelación de Ofiuco (El Portador de la Serpiente). Las estrellas que pueden verse a simple vista en una noche clara están marcadas con un disco negro. La ubicación del sistema Oph-IRS 48 se indica con un círculo rojo. Esta estrella es demasiado débil para verla a simple vista. Crédito: ESO.
Notas
[1] El origen de la trampa de polvo, en este caso un vórtice en el gas del disco, tiene periodos de vida de cientos de miles de años. Incluso cuando la trampa de polvo deja de actuar, el polvo acumulado en la trampa tardaría millones de años en dispersarse, proporcionando mucho tiempo a los granos de polvo para crecer.
[2] El nombre es una combinación del nombre de la constelación de la región de formación estelar en la que se encuentra el sistema y del tipo de fuente, siendo Oph asignado por la constelación de Ofiuco (El Portador de la Serpiente), mientras que IRS se asigna por la fuente infrarroja. La distancia que separa a la Tierra de Oph-IRS 48 es de unos 400 años luz.
[3] ALMA puede observar en diferentes bandas de frecuencia. La banda 9, que opera en longitudes de onda de entre 0,4 y 0,5 milímetros, es el modo que proporciona, con diferencia, las imágenes más nítidas.
) Un equipo de químicos dirigidos por Ian Hutcheon del Laboratorio Nacional Lewrence de Livermore, del Museo Real de Ontario, la U. de Hawaii y la U. Estatal de Moscú han fechado con presición las Inclusiones de Cálcio ricas en Aluminio (CAIs en inglés) los objetos más antiguos del Sistema Solar en 4,57 mil millones de años. Además, el equipo concluyó que los cóndrulos, otro de los primeros objetos en formarse, lo hicieron entre 2 y 3 millones de años después que los CAIs.
Los CAIs y los cóndrulos son partículas milimétricas esférica que se encuentran engastadas dentro de los meteoritos más primitivos, aquellos que provienen de pequeños asteroides y que no han sufrido muchas alteraciones estructurales durante los últimos 4,57 mil millones de años, guardando así un testimonio de los primeros momentos de nuestro sistema solar. Se formaron en regiones polvorientas de la nébula presolar que fue recalentada a temperaturas muy altas. El polvo se fundió formando gotitas líquidas que flotaron en el espacio, para luego cristalizar al enfriarse, formando primero los CAIs y luego los cóndrulos. Este tipo de material fueron los que más tarde quedaron incorporados en asteroides y planetas, los que fueron creciendo a partir de ellos en un plazo de entre 10 a 50 millones de años después.
Los científicos encuentran estas partículas al estudiar los meteoritos utilizando microscopios, esos objetos que caen a la Tierra desde el espacio y logran traspasar la barrera de la atmósfera. Luego de separarlos del meteorito, el grupo utilizó un espectrómetro de masa, para estudiar los CAIs y los cóndrulos encontrados en meteoritos condríticos, (el tipo de meteoritos que presentan este tipo de estructuras - los meteoritos provenientes de asteroides mayores o planetas, donde ocurrieron luego procesos geológicos posteriores no tienen este tipo de estructuras y se llaman acondríticos). Pudieron establecer las edades de estas partículas midiendo el decaimiento del uranio 238, presente en ambos tipos de objetos y que decae a plomo.
Usando un microscopio iónico, Hutcheon fechó los CAIs y los cóndrulos detectando el decaimiento del aluminio 26 - que también encontró en ambos objetos - a magnesio 26. Comparando el contenido de plomo y del isótopo de magnesio en los CAIs y los cóndrulos, el grupo determinó su edad. El Aluminio 26 decae mucho más rápido que el uranio, y estas medidas permitieron al grupo determinar la pequeña diferencia en edad con una precisión sin precedente.
"Al determinar la edad de los CAIs y los cóndrulos podemos fechar mejor a los asteroides y planetas, y aprender más de las épocas tempranas del Sistema Solar" dijo Hutcheon.
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Derecha: Imagen que combina datos obtenidos por ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) en la frecuencia submilimétrica (0.44-mm) con la obtenida por el Espectrómetro para luz infrarroja media (VISIR) 18.7-µm del VLT, lo que permite observar la totalidad del disco. La gran asimetría de la emisión de polvo entre las partes norte y sur del disco (de al menos un factor 130) indica la presencia de esta trampa de polvo, que proporciona un refugio para las pequeñas partículas del disco, permitiendo que se agrupen y crezcan hasta alcanzar tamaños que les permitan sobrevivir.
