Los discos formadores de planetas evolucionan de formas sorprendentemente similares


Un grupo de astrónomos, dirigido por Sierk van Terwisga del Instituto Max Planck de Astronomía, ha analizado la distribución de masas de más de 870 discos formadores de planetas en la nube de Orión A. Al explotar las propiedades estadísticas de esta gran muestra de discos sin precedentes y desarrollar un innovador esquema de procesamiento de datos, descubrieron que lejos de entornos hostiles como estrellas calientes, la disminución de la masa del disco solo depende de su edad. Los resultados indican que, al menos dentro de los 1000 años luz de la Tierra, los discos de formación de planetas y los sistemas planetarios evolucionan de manera similar.

Algunas de las preguntas más emocionantes en la investigación astronómica actual son «¿Cómo son otros sistemas planetarios?» y «¿Qué tan comparable es el sistema solar con otros sistemas planetarios?» Ahora, un equipo de astrónomos ha aportado pistas cruciales para resolver este rompecabezas.

Esta impresión artística ilustra el aspecto que suelen tener los discos de formación de planetas alrededor de estrellas jóvenes. Inicialmente consisten en polvo y gas configurados en anillos de material denso. Con el tiempo, los componentes sólidos se convierten en guijarros que eventualmente pueden convertirse en planetas. Dado que las observaciones de ALMA utilizadas en este estudio solo son sensibles a granos de polvo de tamaño milimétrico, los discos evolucionados con objetos más grandes o incluso planetas producen una señal relativamente débil del material remanente. Los nuevos resultados indican que sin irradiación externa, tales discos evolucionan de manera similar. Después de aproximadamente un millón de años, la mayoría de ellos no tienen suficiente masa para producir grandes planetas como Júpiter. Sin embargo, es posible que tales planetas ya se hayan formado allí. Crédito: departamento de gráficos MPIA

«Hasta ahora, no sabíamos con certeza qué propiedades dominan la evolución de los discos de formación de planetas alrededor de estrellas jóvenes», dice Sierk van Terwisga, científico del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania. Es el autor principal del artículo de investigación subyacente publicado hoy en Astronomy & Astrophysics. «Nuestros nuevos resultados ahora indican que en entornos sin ninguna influencia externa relevante, la masa de disco observada disponible para formar nuevos planetas solo depende de la edad del sistema de disco estelar», agrega van Terwisga.

La masa del disco es la propiedad clave cuando se estudia la evolución de los discos de formación de planetas. Esta cantidad determina cuánto material está disponible para ser transformado en planetas. Dependiendo de la edad del disco, también puede proporcionar pistas sobre los planetas que ya están presentes allí. Los efectos externos como la irradiación y los vientos de las estrellas masivas cercanas obviamente afectan la supervivencia del disco. Sin embargo, tales entornos son raros y esos procesos no revelan mucho sobre los discos en sí. En cambio, los astrónomos están más interesados ​​en las propiedades internas del disco, como la edad, la composición química o la dinámica de las nubes parentales de las que surgieron las estrellas jóvenes con sus discos.

Para desenredar las diversas contribuciones, el equipo de astrónomos seleccionó una región grande y bien conocida de estrellas jóvenes con discos, la nube de Orión A. Está aproximadamente a 1350 años luz de distancia de la Tierra. «Orion A nos proporcionó un tamaño de muestra grande sin precedentes de más de 870 discos alrededor de estrellas jóvenes. Era crucial poder buscar pequeñas variaciones en la masa del disco dependiendo de la edad e incluso de los entornos locales dentro de la nube», Álvaro Hacar, coautor y científico de la Universidad de Viena, Austria, explica. La muestra proviene de observaciones anteriores con el Telescopio Espacial Herschel, que permitieron identificar los discos. La combinación de varias longitudes de onda proporcionó un criterio para estimar sus edades. Dado que todos pertenecen a la misma nube, los astrónomos esperaban poca influencia de la química y las variaciones de la historia de las nubes. También evitaron cualquier impacto de estrellas masivas en el cercano Cúmulo de Nebulosas de Orión (ONC) al rechazar discos a menos de 13 años luz.

Para medir la masa del disco, el equipo empleó el Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) ubicado en la meseta de Chajnantor en el desierto chileno de Atacama. ALMA consta de 66 antenas parabólicas que funcionan como un solo telescopio con una resolución angular sintonizable. Los científicos aplicaron un modo de observación que les permitió apuntar a cada disco de manera eficiente a una longitud de onda de aproximadamente 1,2 milímetros. Los discos fríos son brillantes en este rango espectral. Por otro lado, la contribución de las estrellas centrales es insignificante. Con este enfoque, los astrónomos determinaron las masas de polvo de los discos. Sin embargo, las observaciones son insensibles a objetos mucho más grandes que unos pocos milímetros, p. rocas y planetas. Por lo tanto, el equipo midió efectivamente la masa del material del disco capaz de formar planetas.

Antes de calcular las masas de los discos, los astrónomos combinaron y calibraron los datos de varias docenas de telescopios ALMA. Esta tarea se convierte en todo un desafío cuando se trata de grandes conjuntos de datos. Usando métodos estándar, habría llevado meses procesar los datos recopilados. En cambio, el equipo desarrolló un nuevo método usando computadoras paralelas. «Nuestro nuevo enfoque mejoró la velocidad de procesamiento en un factor de 900», señala el coautor Raymond Oonk del proveedor de servicios de TI colaborador SURF. Las 3000 horas de CPU requeridas para terminar la tarea y preparar los datos para el análisis posterior transcurrieron en menos de un día.

Esta imagen muestra la gigante nube de formación estelar Orión A observada por el instrumento SPIRE (Spectral and Photometric Imaging Receiver) a bordo del telescopio espacial Herschel. Traza la distribución a gran escala del polvo frío. Orión A está a unos 1350 años luz de distancia y consiste en regiones individuales de formación de estrellas, como lo indican sus etiquetas. Se indican las ubicaciones de los discos de formación de planetas (+) observados con ALMA, mientras que los discos con masas de polvo superiores al equivalente de 100 masas terrestres aparecen como puntos azules. La famosa Nebulosa de Orión, visible a simple vista en el cielo, alberga el Cúmulo de Nebulosas de Orión (ONC), que incluye varias estrellas masivas que emiten una radiación intensa. Crédito: SE van Terwisga et al./MPIA

En total, Orion A contiene discos de formación de planetas, cada uno con polvo que asciende a unos pocos cientos de masas terrestres. Sin embargo, de los 870 discos, solo 20 contienen polvo equivalente a 100 tierras o más. En general, el número de discos disminuye rápidamente con la masa, y la mayoría contiene menos de 2,2 masas terrestres de polvo. «Para buscar variaciones, diseccionamos la nube de Orión A y analizamos estas regiones por separado. Gracias a los cientos de discos, las submuestras aún eran lo suficientemente grandes como para producir resultados estadísticamente significativos», explica van Terwisga.

De hecho, los científicos encontraron variaciones menores en las distribuciones de masa del disco en escalas de decenas de años luz dentro de Orión A. Sin embargo, todas ellas pueden explicarse como un efecto de la edad, lo que significa que dentro de unos pocos millones de años, la masa del disco tiende a declinar hacia poblaciones de mayor edad. Dentro de los márgenes de error, los cúmulos de discos formadores de planetas de la misma edad exhiben la misma distribución de masa. No sorprende en absoluto que la masa de polvo en los discos de formación de planetas disminuya con el tiempo. Después de todo, el polvo es una de las materias primas de los planetas. Por lo tanto, la formación de planetas ciertamente reduce la cantidad de polvo libre. Otros procesos bien conocidos son la migración de polvo hacia el centro del disco y la evaporación de polvo por irradiación de la estrella anfitriona. Aún así, es sorprendente ver una correlación tan fuerte entre la masa del disco y la edad.

Todos esos discos surgieron del mismo entorno que ahora constituye la nube de Orión A. ¿Cómo se compara esto con otras poblaciones jóvenes de discos estelares? Los astrónomos abordaron esta pregunta comparando sus resultados con varias regiones cercanas de formación de estrellas con discos de formación de planetas. Excepto por dos, todos encajan muy bien en la relación masa-edad que se encuentra en Orión A. «En conjunto, creemos que nuestro estudio demuestra que al menos dentro de los próximos 1000 años luz más o menos, todas las poblaciones de discos de formación de planetas muestran la misma distribución masiva a una edad determinada. Y parecen estar evolucionando más o menos de la misma manera», concluye van Terwisga. El resultado puede incluso insinuar la formación de sistemas planetarios asombrosamente similares.

Como próximo paso, los científicos observarán posibles impactos de estrellas cercanas en escalas más pequeñas de unos pocos años luz. Si bien evitaron el fuerte campo de radiación causado por las estrellas masivas en el ONC, hay estrellas de campo potencialmente más débiles que pueden afectar el polvo en los discos vecinos y alterar las estadísticas de masa del disco. Tales contribuciones pueden explicar algunas de las desviaciones encontradas en la relación entre la masa del disco y la edad. Los resultados pueden ayudar a fortalecer la imagen general de una evolución del disco de formación de planetas dominada por la edad.

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