Imágenes de súper resolución revelan el primer paso de la formación de planetas después del nacimiento de una estrella

Identificar el período de formación de sistemas planetarios, como nuestro sistema solar, podría ser el inicio del descubrimiento del origen de la vida. La clave reside en las subestructuras únicas que se encuentran en los discos protoplanetarios, los lugares de formación de los planetas.

Un disco protoplanetario está compuesto de gas y polvo molecular a baja temperatura que rodea una protoestrella. Si existe un planeta en el disco, su gravedad acumulará o expulsará materiales dentro del disco, formando subestructuras características como anillos o espirales. En otras palabras, las diversas subestructuras del disco pueden interpretarse como «mensajes» de los planetas en formación. Para estudiar estas subestructuras en detalle, se requieren observaciones de radio de alta resolución con ALMA.

Hasta la fecha, se han realizado numerosas observaciones de discos protoplanetarios (o discos circunestelares) con ALMA. En particular, dos grandes programas de ALMA, DSHARP y eDisk, han revelado la distribución detallada del polvo en los discos protoplanetarios mediante observaciones de alta resolución.

El proyecto DSHARP descubrió que las estructuras distintivas son comunes en los discos circunestelares alrededor de 20 estrellas jóvenes, cada una con más de un millón de años desde el inicio de su formación estelar (véase la nota a continuación).

Por otro lado, el proyecto eDisk, que investigó discos alrededor de 19 protoestrellas en fase de acreción (la etapa en la que la acreción de masa sobre la estrella y el disco es activa), encontró menos estructuras distintivas. Esta fase ocurre aproximadamente entre 10.000 y 100.000 años después del nacimiento de la estrella. Esto sugiere que los discos presentan características diversas según la edad de la estrella.

En este caso, la pregunta es: ¿cuándo aparecen las subestructuras, los signos de la formación planetaria, en los discos? Para encontrar la respuesta, es necesario observar discos de un amplio rango de edades intermedias aún por explorar. Sin embargo, las limitaciones en el número de discos observables a alta resolución, debido a la distancia y el tiempo de observación, dificultan la realización de un estudio estadísticamente significativo con un tamaño de muestra suficientemente grande.

Para superar estas limitaciones, el equipo de investigación recurrió a imágenes de superresolución con modelado disperso. En radioastronomía, las imágenes se restauran habitualmente basándose en una suposición específica para compensar la falta de datos de observación. El método de imagen empleado reconstruye basándose en una suposición más precisa que el enfoque convencional, produciendo imágenes de mayor resolución incluso utilizando los mismos datos de observación. Los hallazgos se publican en la revista Publications of the Astronomical Society of Japan.

En este estudio se utilizó PRIISM (módulo de Python para Imágenes de Radio Interferometría con Modelado Disperso), el software público desarrollado por un equipo de investigación japonés. El equipo empleó esta nueva técnica de imagen con datos de archivo de ALMA, analizando 78 discos en la región de formación estelar de Ofiuco, ubicada a 460 años luz del sistema solar.

Como resultado, más de la mitad de las imágenes producidas en este estudio alcanzaron una resolución tres veces superior a la del método convencional, comparable a la de los proyectos DSHARP y eDisk (fig. 1).

El equipo combinó la muestra de Ofiuco con las del proyecto eDisk para realizar un análisis estadístico. Como resultado, descubrieron que las subestructuras características del disco emergen en discos con radios superiores a 30 unidades astronómicas (UA) durante la etapa temprana de la formación estelar, tan solo unos cientos de miles de años después del nacimiento de una estrella (fig. 2).

Esto sugiere que los planetas comienzan a formarse mucho antes de lo que se creía, cuando el disco aún posee abundante gas y polvo (fig. 3). En otras palabras, los planetas crecen junto con sus estrellas anfitrionas muy jóvenes.

Ayumu Shoshi afirma: «Estos hallazgos, que acortan distancias entre los proyectos eDisk y DSHARP, fueron posibles gracias a la innovadora tecnología de imágenes que permite alcanzar una alta resolución y un gran número de muestras. Si bien estos hallazgos solo se refieren a los discos de la constelación de Ofiuco, estudios futuros de otras regiones de formación estelar revelarán si esta tendencia es universal».

Nota: La etapa evolutiva de una protoestrella se estima utilizando la temperatura bolométrica alrededor de la estrella. La temperatura bolométrica es una temperatura aparente derivada del brillo total de un objeto en todas las longitudes de onda. Una temperatura bolométrica más alta indica una etapa evolutiva más avanzada, y una temperatura de 650 K sugiere que ha transcurrido aproximadamente un millón de años desde el nacimiento de la estrella.

Con información de Publications of the Astronomical Society of Japan