Vientos de cambio: Webb revela las fuerzas que dan forma a los discos protoplanetarios

Cada segundo nacen más de 3.000 estrellas en el universo visible. Muchas están rodeadas por lo que los astrónomos llaman un disco protoplanetario, un «panqueque» giratorio de gas caliente y polvo a partir del cual se forman los planetas. Sin embargo, todavía no se comprenden bien los procesos exactos que dan origen a las estrellas y los sistemas planetarios.

Un equipo de astrónomos dirigido por investigadores de la Universidad de Arizona ha utilizado el telescopio espacial James Webb de la NASA para obtener algunos de los conocimientos más detallados sobre las fuerzas que dan forma a los discos protoplanetarios. Las observaciones ofrecen una visión de cómo podría haber sido nuestro sistema solar hace 4.600 millones de años.

En concreto, el equipo pudo rastrear los llamados vientos de disco con un detalle sin precedentes. Estos vientos son corrientes de gas que soplan desde el disco de formación de planetas hacia el espacio. Impulsados ​​en gran medida por campos magnéticos, estos vientos pueden viajar decenas de kilómetros en sólo un segundo.

Los hallazgos de los investigadores, publicados en Nature Astronomy, ayudan a los astrónomos a comprender mejor cómo se forman y evolucionan los sistemas planetarios jóvenes.

Según la autora principal del artículo, Ilaria Pascucci, profesora del Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Alberta, uno de los procesos más importantes que se llevan a cabo en un disco protoplanetario es el proceso de acreción, en el que la estrella se come la materia del disco que la rodea.

«La forma en que una estrella acumula masa tiene una gran influencia en la evolución del disco que la rodea a lo largo del tiempo, incluida la forma en que se forman los planetas más adelante», dijo Pascucci. «No se han comprendido las formas específicas en que esto sucede, pero creemos que los vientos impulsados ​​por los campos magnéticos en la mayor parte de la superficie del disco podrían desempeñar un papel muy importante».

Las estrellas jóvenes crecen atrayendo gas del disco que gira a su alrededor, pero para que eso suceda, el gas primero debe perder parte de su inercia. De lo contrario, el gas orbitaría constantemente alrededor de la estrella y nunca caería sobre ella. Los astrofísicos llaman a este proceso «pérdida de momento angular», pero no se sabe exactamente cómo sucede.

Para entender mejor cómo funciona el momento angular en un disco protoplanetario, es útil imaginarse a una patinadora artística sobre el hielo: si mete los brazos a lo largo del cuerpo, girará más rápido, mientras que si los estira, su rotación será más lenta. Como su masa no cambia, el momento angular permanece igual.

Para que se produzca la acreción, el gas que se encuentra a lo largo del disco tiene que desprenderse de momento angular, pero los astrofísicos tienen dificultades para ponerse de acuerdo sobre cómo sucede exactamente esto. En los últimos años, los vientos del disco han surgido como actores importantes que canalizan parte del gas de la superficie del disco (y con él, el momento angular), lo que permite que el gas sobrante se mueva hacia adentro y, en última instancia, caiga sobre la estrella.

Como hay otros procesos en funcionamiento que dan forma a los discos protoplanetarios, es fundamental poder distinguir entre los diferentes fenómenos, según la segunda autora del artículo, Tracy Beck, del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial de la NASA.

Mientras que el material del borde interior del disco es expulsado por el campo magnético de la estrella en lo que se conoce como viento X, las partes externas del disco son erosionadas por la intensa luz estelar, lo que da lugar a los llamados vientos térmicos, que soplan a velocidades mucho más lentas.

«Para distinguir entre el viento impulsado por el campo magnético, el viento térmico y el viento X, realmente necesitábamos la alta sensibilidad y resolución del JWST (el telescopio espacial James Webb)», dijo Beck.

A diferencia del viento X de enfoque estrecho, los vientos observados en el presente estudio se originan en una región más amplia que incluiría los planetas rocosos interiores de nuestro sistema solar, aproximadamente entre la Tierra y Marte. Estos vientos también se extienden más lejos por encima del disco que los vientos térmicos, alcanzando distancias cientos de veces la distancia entre la Tierra y el Sol.

«Nuestras observaciones sugieren firmemente que hemos obtenido las primeras imágenes de los vientos que pueden eliminar el momento angular y resolver el problema de larga data de cómo se forman las estrellas y los sistemas planetarios», dijo Pascucci.

Para su estudio, los investigadores seleccionaron cuatro sistemas de discos protoplanetarios, todos los cuales aparecen de canto cuando se los observa desde la Tierra.

«Su orientación permitió que el polvo y el gas del disco actuaran como una máscara, bloqueando parte de la luz brillante de la estrella central, que de otro modo habría abrumado a los vientos», dijo Naman Bajaj, un estudiante de posgrado en el Laboratorio Lunar y Planetario que contribuyó al estudio.

Al ajustar los detectores del JWST a moléculas distintas en ciertos estados de transición, el equipo pudo rastrear varias capas de los vientos. Las observaciones revelaron una intrincada estructura tridimensional de un chorro central, anidado dentro de una envoltura en forma de cono de vientos que se originan a distancias de disco progresivamente mayores, similar a la estructura en capas de una cebolla.

Un hallazgo nuevo e importante, según los investigadores, fue la detección constante de un agujero central pronunciado dentro de los conos, formado por vientos moleculares en cada uno de los cuatro discos.

A continuación, el equipo de Pascucci espera ampliar estas observaciones a más discos protoplanetarios, para obtener una mejor idea de cuán comunes son las estructuras de viento de disco observadas en el universo y cómo evolucionan con el tiempo.

«Creemos que podrían ser comunes, pero con cuatro objetos, es un poco difícil decirlo», dijo Pascucci. «Queremos obtener una muestra más grande con James Webb, y luego también ver si podemos detectar cambios en estos vientos a medida que las estrellas se reúnen y se forman los planetas».

Con información de Nature