ALMA descubre una factoría de cometas. Solucionado el eterno misterio de la formación planetaria gracias a nuevas observaciones de una “trampa de polvo” en torno a una joven estrella
Utilizando el nuevo conjunto de
telescopios ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) un
equipo de astrónomos ha conseguido obtener una imagen de la región que
rodea a una joven estrella en la que las partículas de polvo pueden
crecer por acumulación. Es la primera vez que este tipo de trampa de
polvo ha sido modelada y observada claramente. Soluciona el eterno
misterio sobre cómo las partículas de polvo en los discos crecen,
alcanzando tamaños mayores, de manera que, finalmente, pueden formar
cometas, planetas y otros cuerpos rocosos. Los resultados se han
publicado en la revista Science el 7 de junio de 2013.
Los astrónomos saben que hay numerosos planetas alrededor 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. Sin embargo, utilizando el gran
potencial de ALMA, se han llevado a cabo nuevas observaciones que ahora
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 informáticos 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 crecienco hasta que sean lo suficientemente
grades como para sobrevivir por sí solas [1].
Ya se había porpuesto 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 entrada, 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! 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”.
Lo que se ha descubierto es 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.
Tal y como explica van der Marel: “Es probable que estemos
observando una especie de factoría 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”.
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 Ophiuchus (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.
Información adicional
Este trabajo se presenta en el artículo “A major asymmetric dust trap in a transition disk“, por van der Marel et al, que aparece en la revista Science el 7 de junio de 2013.
El equipo está compuesto por Nienke van der Marel (Observatorio de
Leiden, Países Bajos), Ewine F. van Dishoeck (Observatorio de Leiden;
Instituto Max-Planck de Física Extretarrestre, Garching, Alemania
[MPE]), Simon Bruderer (MPE), Til Birnstiel (Centro de Astrofísica
Harvard-Smithsonian, Cambridge, EE.UU. [CfA]), Paola Pinilla
(Universidad de Heidelberg, Alemania), Cornelis P. Dullemond
(Universidad de Heidelberg), Tim A. van Kempen (Observatorio de Leiden;
Oficinas de ALMA, Santiago, Chile), Markus Schmalzl (Observatorio de
Leiden), Joanna M. Brown (CfA), Gregory J. Herczeg (Instituto Kavli de
Astronomía y Astrofísica, Universidad de Peking, Beijing, China),
Geoffrey S. Mathews (Observatorio de Leiden) y Vincent Geers (Instituto
de Estudios Avanzados de Dublín, Irlanda).
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Impresión artística de la factoría de cometas vista por ALMA
Crédito:
ESO/L. Calçada
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Imagen de ALMA de la factoría de cometas en torno a Oph-IRS 48
Esta imagen obtenida por ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)
muestra la trampa de polvo en el disco que rodea al sistema Oph-IRS
48. 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 por sí solas.
Crédito:
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Nienke van der Marel
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Crédito:
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Nienke van der Marel
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Imagen obtenida por ALMA y VLT de la factoría de cometas en torno a Oph-IRS 48
Esta imagen obtenida por ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)
muestra la trampa de polvo en el disco que rodea al sistema Oph-IRS 48.
La trampa de polvo proporciona un refugio para las pequeñas partículas
del disco, permitiendo que se agrupen y crezcan hasta alcanzar tamaños
que les permitan sobrevivir por sí solas.
La región verde señala la zona en la que se encuentran las partículas de mayor tamaño (de milimétros) y la trampa de polvo descubierta por ALMA. El anillo anaranjado muestra observaciones de partículas de polvo mucho más finas (de micras) utilizando el instrumento VISIR, instalado en el telescopio VLT (Very Large Telescope) de ESO.
Crédito:
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Nienke van der Marel
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La región verde señala la zona en la que se encuentran las partículas de mayor tamaño (de milimétros) y la trampa de polvo descubierta por ALMA. El anillo anaranjado muestra observaciones de partículas de polvo mucho más finas (de micras) utilizando el instrumento VISIR, instalado en el telescopio VLT (Very Large Telescope) de ESO.
Crédito:
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Nienke van der Marel
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Imagen de la trampa de polvo y de la factoría de cometas en torno a Oph-IRS 48 obtenida por ALMA (con anotaciones)
Imagen con anotaciones obtenida por ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)
en la que se muestra la trampa de polvo en el disco que rodea al
sistema Oph-IRS 48. La trampa de polvo proporciona un refugio para las
pequeñas partículas del disco, permitiendo que se agrupen y crezcan
hasta alcanzar tamaños que les permitan sobrevivir por sí solas. La
región verde es la trampa de polvo, donde se acumulan las partículas de
mayor tamaño. En la esquina superior izquierda se muestra el tamaño de
la órbita de Neptuno para estimar la escala.
Crédito:
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Nienke van der Marel
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Este mapa muestra la gran constelación de Ophiuchus (El Portador de la Serpiente). Las estrellas que pueden verse a ojo en una noche clara están marcadas. La ubicación del sistema Oph-IRS 48 se indica con un círculo rojo.
Crédito:
ESO, IAU and Sky & Telescope
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Videos:
1.
Crédito:
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Nienke van der Marel
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La ubicación del sistema Oph-IRS 48 en la constelación de Ophiuchus
Este mapa muestra la gran constelación de Ophiuchus (El Portador de la Serpiente). Las estrellas que pueden verse a ojo en una noche clara están marcadas. La ubicación del sistema Oph-IRS 48 se indica con un círculo rojo.
Crédito:
ESO, IAU and Sky & Telescope
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Videos:
1.
ESOcast 58: ALMA descubre una factoría de cometas
La detección de esta “trampa de polvo” resuelve el eterno misterio de
cómo las partículas de polvo en torno a estrellas se van sumando hasta
formar planetas, cometas y otros cuerpos rocosos. ESOcast 58 profundiza
en esta trampa de polvo para explorar cómo funciona esta factoría de
cometas.
Crédito:
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).
Visual design and editing: Martin Kornmesser and Luis Calçada.
Editing: Herbert Zodet.
Web and technical support: Mathias André and Raquel Yumi Shida.
Written by: Javier Perez Barbuzano, Richard Hook and Herbert Zodet.
Narration: Dr. J.
Music: movetwo.
Footage and photos: ESO, Nienke van der Marel, Christoph Malin (christophmalin.com), Nick Risinger (skysurvey.org), Digitized Sky Survey 2, Stéphane Guisard (www.eso.org/~sguisard), Luis Calçada, José Francisco Salgado (josefrancisco.org) and NASA/JPL-Caltech/Robert Hurt (SSC/Caltech).
Directed by: Herbert Zodet.
Executive producer: Lars Lindberg Christensen.
2.
Crédito:
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).
Visual design and editing: Martin Kornmesser and Luis Calçada.
Editing: Herbert Zodet.
Web and technical support: Mathias André and Raquel Yumi Shida.
Written by: Javier Perez Barbuzano, Richard Hook and Herbert Zodet.
Narration: Dr. J.
Music: movetwo.
Footage and photos: ESO, Nienke van der Marel, Christoph Malin (christophmalin.com), Nick Risinger (skysurvey.org), Digitized Sky Survey 2, Stéphane Guisard (www.eso.org/~sguisard), Luis Calçada, José Francisco Salgado (josefrancisco.org) and NASA/JPL-Caltech/Robert Hurt (SSC/Caltech).
Directed by: Herbert Zodet.
Executive producer: Lars Lindberg Christensen.
2.
Animación de una trampa de polvo
Esta representación artística muestra el comportamiento de partículas
de diferentes tamaños en el disco de polvo que rodea al sistema Oph-IRS
48. Las partículas más grandes, de unos milímetros de diámetro, tienden
a unirse en un refugio seguro que les permite crecer aún más, formando
finalmente rocas y, después, cometas.
Crédito:
ESO/L. Calçada
3
Crédito:
ESO/L. Calçada
3
Acercándonos al sistema Oph-IRS 48
4
Simulación por ordenador de la formación de una trampa de polvo
http://www.eso.org/public/chile/videos/eso1325d/
Esta simulación por ordenador muestra cómo puede formarse un vórtice
cuando un planeta masivo interacciona con un disco entorno a una
estrella joven. Podemos ver cómo la densidad del gas evoluciona cuando
hay un planeta con una masa diez veces la de Júpiter, situada a una
distancia de veinte veces la que separa a la Tierra del Sol de su
estrella central. En el extremo exterior del hueco, se crea un vórtice a
gran escala. Este vórtice puede perdurar durante mucho tiempo, incluso
más que el que tardarían los planetas en dar mil veces la vuelta a su
estrella. Este vórtice puede atrapar partículas de tamaño milimétrico a
lo largo de escalas de tiempo de millones de años, explicando la
estructura de gran contraste observada por ALMA en el disco que rodea a
Oph-IRS 48.
Crédito:
P. Pinilla/ESO
Crédito:
P. Pinilla/ESO
Fuente: Observatorio Europeo Austral , ESO
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