Los pequeños «huracanes» que se forman en los discos de gas y polvo alrededor de las estrellas jóvenes pueden usarse para estudiar ciertos aspectos de la formación de planetas, incluso para planetas más pequeños que orbitan su estrella a grandes distancias y están fuera del alcance de la mayoría de los telescopios.
Investigadores de la Universidad de Cambridge y el Instituto de Estudios Avanzados han desarrollado una técnica que utiliza las observaciones de estos «huracanes» realizadas por el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para establecer algunos límites en la masa y la edad de los planetas en un planeta joven. sistema estrella.
Las nubes de gases, polvo y hielo en forma de panqueques que rodean a las estrellas jóvenes, conocidas como discos protoplanetarios, es donde comienza el proceso de formación de planetas. A través de un proceso conocido como acreción del núcleo, la gravedad hace que las partículas del disco se adhieran entre sí, formando finalmente cuerpos sólidos más grandes, como asteroides o planetas. A medida que se forman los planetas jóvenes, comienzan a tallar huecos en el disco protoplanetario, como surcos en un disco de vinilo.
Incluso un planeta relativamente pequeño, tan pequeño como una décima parte de la masa de Júpiter según algunos cálculos recientes, puede ser capaz de crear tales brechas. Como estos planetas «super-Neptuno» pueden orbitar su estrella a una distancia mayor que la que Plutón orbita alrededor del Sol, no se pueden utilizar los métodos tradicionales de detección de exoplanetas.
Además de los surcos, las observaciones de ALMA han mostrado otras estructuras distintas en los discos protoplanetarios, como arcos y grupos en forma de plátano o maní. Se había pensado que al menos algunas de estas estructuras también estaban impulsadas por planetas.
«Algo debe estar causando que se formen estas estructuras», dijo el autor principal, el profesor Roman Rafikov, del Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica de Cambridge, y el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey. «Uno de los posibles mecanismos para producir estas estructuras, y ciertamente el más intrigante, es que las partículas de polvo que vemos como arcos y grumos se concentran en los centros de los vórtices de fluidos: esencialmente pequeños huracanes que pueden desencadenarse por una inestabilidad particular en los bordes de los huecos tallados en los discos protoplanetarios por los planetas».
Trabajando con su Ph.D. estudiante Nicolas Cimerman, Rafikov usó esta interpretación para desarrollar un método para restringir la masa o la edad de un planeta si se observa un vórtice en un disco protoplanetario. Sus resultados han sido aceptados para su publicación en dos artículos separados en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
«Es extremadamente difícil estudiar planetas más pequeños que están lejos de su estrella mediante imágenes directas: sería como tratar de detectar una luciérnaga frente a un faro», dijo Rafikov. «Necesitamos otros métodos diferentes para aprender sobre estos planetas».
Para desarrollar su método, los dos investigadores primero calcularon teóricamente el tiempo que tardaría un planeta en producir un vórtice en el disco. Luego usaron estos cálculos para restringir las propiedades de los planetas en discos con vórtices, básicamente estableciendo límites más bajos en la masa o la edad del planeta. Llaman a estas técnicas «pesaje de vórtice» y «datación de vórtice» de planetas.
Cuando un planeta en crecimiento se vuelve lo suficientemente masivo, comienza a empujar el material del disco, creando la brecha reveladora en el disco. Cuando esto sucede, el material en el exterior del espacio se vuelve más denso que el material en el interior del espacio. A medida que la brecha se hace más profunda y las diferencias de densidad se vuelven grandes, se puede desencadenar una inestabilidad. Esta inestabilidad perturba el disco y eventualmente puede producir un vórtice.
«Con el tiempo, múltiples vórtices pueden fusionarse, evolucionando en una gran estructura que se parece a los arcos que hemos observado con ALMA», dijo Cimerman. Dado que los vórtices necesitan tiempo para formarse, los investigadores dicen que su método es como un reloj que puede ayudar a determinar la masa y la edad del planeta.
«Los planetas más masivos producen vórtices más temprano en su desarrollo debido a su mayor gravedad, por lo que podemos usar los vórtices para imponer algunas restricciones a la masa del planeta, incluso si no podemos verlo directamente», dijo Rafikov.
Usando varios puntos de datos como espectros, luminosidad y movimiento, los astrónomos pueden determinar la edad aproximada de una estrella. Con esta información, los investigadores de Cambridge calcularon la masa más baja posible de un planeta que podría haber estado en órbita alrededor de la estrella desde que se formó el disco protoplanetario y pudieron producir un vórtice que pudo ser visto por ALMA. Esto les ayudó a poner un límite inferior a la masa del planeta sin observarlo directamente.
Al aplicar esta técnica a varios discos protoplanetarios conocidos con arcos prominentes, que sugieren vórtices, los investigadores descubrieron que los supuestos planetas que crean estos vórtices deben tener masas de al menos varias decenas de masas terrestres, en el rango de superNeptuno.
«En mi trabajo diario, a menudo me enfoco en los aspectos técnicos de realizar las simulaciones», dijo Cimerman. «Es emocionante cuando las cosas se juntan y podemos usar nuestros hallazgos teóricos para aprender algo sobre los sistemas reales».
«Nuestras limitaciones se pueden combinar con los límites proporcionados por otros métodos para mejorar nuestra comprensión de las características planetarias y las vías de formación de planetas en estos sistemas», dijo Rafikov. «Al estudiar la formación de planetas en otros sistemas estelares, podemos aprender más sobre cómo evolucionó nuestro propio sistema solar».
Con información de Universidad de Oxford
