La búsqueda de otros planetas en nuestra galaxia se ha intensificado en las últimas décadas, con 3869 planetas detectados en 2,886 sistemas y otros 2,898 candidatos en espera de confirmación. Aunque el descubrimiento de estos planetas ha enseñado a los científicos mucho sobre los tipos de planetas que existen en nuestra galaxia, todavía hay mucho que no sabemos sobre el proceso de formación planetaria.
Para responder a estas preguntas, un equipo internacional recientemente utilizó el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) para realizar la primera encuesta a gran escala y de alta resolución de discos protoplanetarios alrededor de estrellas cercanas. Conocido como el Proyecto de subestructuras de disco en alta resolución angular (DSHARP), este programa produjo imágenes de alta resolución de 20 sistemas cercanos donde el polvo y el gas estaban en proceso de formar nuevos planetas.
Sus resultados se compartieron en una serie de diez documentos que aparecerán en un número especial de Las cartas del diario astrofísico. El equipo responsable incluía miembros del Centro Harvard Smithsonian de Astrofísica (CfA), el Observatorio Conjunto ALMA y múltiples observatorios, institutos de investigación y universidades.
En cada caso, los investigadores de DSHARP notaron la presencia de espacios en el disco que estaban lejos de la estrella central y parecían demarcar las partes interna y externa del disco. Los anillos resultantes también estaban densamente empaquetados o formaban bandas más delgadas, dependiendo de su distancia de la estrella. Estos patrones, indicaron, podrían ser el resultado de un compañero planetario invisible que perturba el disco.
Otra posibilidad es que las estructuras de los discos estén sujetas a una inestabilidad global similar a las observadas en las galaxias espirales (como la Vía Láctea). Según los investigadores, la explicación más convincente es que los planetas grandes (como los gigantes gaseosos) se estaban formando predominantemente en los alcances exteriores de los discos, lo que indicaría que la formación de planetas ocurre mucho más rápido de lo que permiten las teorías actuales sobre la formación de planetas.
Esta posible explicación también ayudaría a explicar cómo los planetas terrestres (es decir, rocosos y de tamaño similar a la Tierra) que se forman más cerca de sus estrellas pueden sobrevivir a las primeras etapas de su formación. Sean Andrews, astrónomo del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica (CfA) y uno de los líderes * de la campaña de observación de ALMA, explicó la importancia de estos hallazgos en un comunicado de prensa de NRAO:
“El objetivo de esta campaña de observación de meses de duración fue buscar elementos comunes y diferencias estructurales en los discos protoplanetarios. La visión notablemente aguda de ALMA ha revelado estructuras nunca antes vistas y patrones inesperadamente complejos. Estamos viendo detalles distintos en torno a una amplia variedad de estrellas jóvenes de diversas masas. La interpretación más convincente de estas características muy diversas y de pequeña escala es que hay planetas invisibles que interactúan con el material del disco ".
Según los principales modelos de formación de planetas, los planetas nacen por la acumulación gradual de polvo y gas dentro de un disco protoplanetario. Esto comienza con granos de polvo que se unen para formar rocas cada vez más grandes hasta que emergen asteroides, planetesimales y planetas. Se cree que este proceso lleva millones de años, lo que significa que los discos protoplanetarios en los sistemas más antiguos se verían más afectados por la visibilidad.
Sin embargo, las primeras observaciones realizadas por ALMA indicaron que muchos discos protoplanetarios jóvenes tenían estructuras bien definidas como anillos y huecos. Estas características generalmente se asocian con la presencia de planetas, e incluso se encontraron en algunos sistemas que tenían solo un millón de años. Como Jane Huang, una estudiante graduada en CfA y miembro del equipo de investigación, explicó:
“Fue sorprendente ver posibles firmas de formación de planetas en las primeras imágenes de alta resolución de discos jóvenes. Era importante averiguar si se trataba de anomalías o si esas firmas eran comunes en los discos ".
Como el primer conjunto de muestras era tan pequeño, la campaña DSHARP se montó para observar otros discos protoplanetarios para comparar. Dado que se sabe que las partículas de polvo brillan en la longitud de onda milimétrica, el equipo de campaña pudo usar la matriz ALMA para mapear con precisión la distribución de densidad de los cinturones de polvo alrededor de los sistemas estelares jóvenes y (dependiendo de la distancia de la estrella) para mapear las características como pequeño como unas pocas unidades astronómicas.
Al final, el equipo de investigación descubrió que muchas de las subestructuras (es decir, huecos concéntricos y anillos estrechos) eran comunes a casi todos los discos, mientras que los patrones espirales a gran escala y las características en forma de arco eran más raros. También descubrieron que los discos y las brechas estaban presentes en una amplia gama de distancias de sus estrellas anfitrionas, desde unas pocas UA hasta más de cien.
Como se señaló, estas observaciones podrían ayudar a resolver un misterio perdurable en lo que respecta a las teorías de la formación de planetas. Específicamente, los astrónomos se han preguntado cómo podrían formarse los planetas cuando la dinámica de un disco protoplanetario liso haría que cualquier cuerpo de más de un centímetro de diámetro cayera en su estrella anfitriona. En esas circunstancias, los objetos rocosos más grandes que un asteroide no deberían existir.
Esencialmente, los densos anillos de polvo que observó el equipo crearían perturbaciones en el disco, lo que podría crear zonas donde los planetesimales estarían seguros y tendrían el tiempo necesario para convertirse en planetas. Como Laura Pérez, investigadora de la Universidad de Chile y miembro del equipo de investigación, indicó:
“Cuando ALMA realmente reveló sus capacidades con su imagen icónica de HL Tau, tuvimos que preguntarnos si eso era un valor atípico ya que el disco era comparativamente masivo y joven. Estas últimas observaciones muestran que, aunque sorprendente, HL Tau está lejos de ser inusual y en realidad puede representar la evolución normal de los planetas alrededor de estrellas jóvenes ".
Esta investigación muestra el poder que tienen hoy los instrumentos de vanguardia y las colaboraciones científicas. Gracias a la capacidad de ver más y ver más lejos, los científicos pueden probar teorías astronómicas como nunca antes. Y en el proceso, nuestras nociones más fundamentales sobre cómo surgió el Universo están siendo confirmadas y desafiadas.
Asegúrese de disfrutar esta animación de cómo se ve un disco protoplanetario, cortesía del programa NRAO Outreach:
* Los otros líderes de la campaña de observación de ALMA son Andrea Isella de la Universidad de Rice, Laura Pérez de la Universidad de Chile y Cornelis Dullemond de la Universidad de Heidelberg.
