Ciencia y Tecnologia

Astrónomas de la U. de Chile realizan hallazgo clave sobre la formación de planetas gigantes



In mid-August 2010 ESO Photo Ambassador Yuri Beletsky snapped this amazing photo at ESO’s Paranal Observatory. A group of astronomers were observing the centre of the Milky Way using the laser guide star facility at Yepun, one of the four Unit Telescopes of the Very Large Telescope (VLT). Yepun’s laser beam crosses the majestic southern sky and creates an artificial star at an altitude of 90 km high in the Earth’s mesosphere. The Laser Guide Star (LGS) is part of the VLT’s adaptive optics system and is used as a reference to correct the blurring effect of the atmosphere on images. The colour of the laser is precisely tuned to energise a layer of sodium atoms found in one of the upper layers of the atmosphere — one can recognise the familiar colour of sodium street lamps in the colour of the laser. This layer of sodium atoms is thought to be a leftover from meteorites entering the Earth’s atmosphere. When excited by the light from the laser, the atoms start glowing, forming a small bright spot that can be used as an artificial reference star for the adaptive optics. Using this technique, astronomers can obtain sharper observations. For example, when looking towards the centre of our Milky Way, researchers can better monitor the galactic core, where a central supermassive black hole, surrounded by closely orbiting stars, is swallowing gas and dust. The photo, which was chosen as Astronomy Picture of the Day for 6 September 2010 and Wikimedia Picture of the Year 2010, was taken with a wide-angle lens and covers about 180 degrees of the sky.   This image is available as a mounted image in the ESOshop.   #L
Investigación liderada por Teresa Paneque, publicada en la prestigiosa revista The Astrophysical Journal, detectó por primera vez inestabilidades gravitacionales en el nacimiento de un sistema planetario masivo a 378 millones de años luz de la Tierra, en la Constelación de Ofiuco. Estas inestabilidades gravitacionales, comprobadas a través de datos de ALMA, serían la causa de la forma en espiral que adopta el material en torno a la estrella joven Elias 2-27 y el mecanismo que permitiría la formación de planetas gigantes como Júpiter.

El proceso de formación de sistemas planetarios como nuestro Sistema Solar es un terreno en el que aún existen múltiples interrogantes. Uno de estos enigmas fue abordado por la astrónoma egresada de la Universidad de Chile, Teresa Paneque, investigadora que en su tesis de magíster estudió a Elias 2-27, un sistema súper masivo -a 378 millones de años luz de la Tierra- compuesto por una joven estrella, cuyo tamaño es cercano a la mitad de nuestro Sol, y un disco de polvo y gas en torno a ella que dará origen a planetas. Una de las particularidades de este sistema localizado en la Constelación de Ofiuco que motivó su análisis fue la estructura espiral que siguen sus partículas de polvo, característica que ahora se entiende como consecuencia de inestabilidades gravitacionales.

Este fue el foco del trabajo realizado por Teresa Paneque junto a la astrónoma y profesora de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la U. de Chile, Laura Pérez, un proceso que contó además con la colaboración de investigadores de ALMA, del Observatorio Europeo Austral (ESO), del Instituto Max Planck de Astronomía y de las universidades de Milán, Georgia, Leicester, Harvard y Cambridge. La investigación de la joven astrónoma, que actualmente tiene 23 años y cursa su doctorado en el Observatorio Europeo Austral y la Universidad de Leiden, comenzó en el 2018 con el análisis de observaciones recogidas por un proyecto ALMA liderado por la profesora Pérez, quien fue la primera persona en detectar la estructura espiral del sistema en el año 2016.

El trabajo de Teresa Paneque permitió la publicación de dos artículos en la prestigiosa revista The Astrophysical Journal. El que lidera ella junto a la profesora Pérez, “Spiral Arms and a Massive Dust Disk with non-Keplerian Kinematics: Possible Evidence for Gravitational Instability in the Disk of Elias 2-27”, presenta los resultados del estudio sobre la estructura espiral del disco protoplanetario de Elias 2-27. El segundo artículo, liderado por la egresada de la Universidad de Milán y actual investigadora de la École Normale Supérieure de Lyon, Benedetta Veronesi, titulado “A dynamical measurement of the disk mass in Elias 2-27”, corresponde a un estudio a partir del cual se midió la densidad y la masa del disco, trabajo que confirmó otra de las predicciones para los sistemas inestables gravitacionalmente.

Inestabilidades gravitacionales

La pregunta central del estudio consistió en averiguar la razón de la existencia de espirales en el disco protoplanetario de Elías 2-27. En su análisis, Teresa Paneque y los colaboradores de este trabajo plantean que el comportamiento de las partículas que integran este sistema no solo es determinado por la influencia de su estrella central, sino también por la masa acumulada de su disco de polvo y gas. Esta masividad generaría inestabilidades gravitacionales cuya consecuencia son las estructuras con forma de espiral.

Estas inestabilidades gravitacionales “habían sido ampliamente estudiadas desde la teoría y las simulaciones, pero es la primera vez que tenemos evidencia observacional robusta de que están ocurriendo en un sistema. Es como pillar al sistema con ‘las manos en la masa’” explica la astrónoma de la Universidad de Chile, quien señala que -de acuerdo a simulaciones y modelos teóricos- las inestabilidades gravitacionales serían procesos relevantes cuando la masa del disco de un sistema es más del 10 por ciento de la masa de su estrella. En este caso, el análisis consignado en ambos artículos plantea que Elias 2-27 tendría una masa en torno al 20 por ciento. “En general, según lo que observamos en otros sistemas, estos discos son menos de un 1 por ciento del material de la estrella”, agrega Teresa Paneque.

La investigadora plantea además que a medida que un disco se va haciendo más masivo la cantidad de espirales se reduce y se pueden observar de manera más definida, tal como ocurre en Elias 2-27. Por otra parte, describe que este sistema tendría un tamaño que excede varias veces a nuestro Sistema Solar. “Las espirales de Elias 2-27 se extienden sobre las 200 Unidades Astronómicas, cerca de ocho veces más lejos de lo que está Neptuno de nuestro Sol”, detalla.

Respecto a la importancia de esta investigación, la profesora Laura Pérez enfatiza que esta investigación, realizada con datos del radiotelescopio ALMA, “nos mostró que este objeto es único: pudimos observar por primera vez varias de las predicciones respecto de inestabilidades gravitacionales, desde el atrapamiento de granos de polvo en sus brazos espirales a la cinemática perturbada del disco que cambia cerca de las regiones espirales”.

Formación de planetas

Teresa Paneque afirma que este hallazgo aporta información clave para entender mejor los procesos de formación de planetas en estos espirales, un entorno que además sería propicio para el surgimiento de planetas gigantes como Júpiter. “Para formar planetas pensamos que hay dos mecanismos principales. Uno es la acreción de pequeñas partículas que se van juntando y originan planetas rocosos como el nuestro, y luego están las inestabilidades gravitacionales, que las simulaciones predicen que son muy eficientes para formar planetas gigantes. Como este disco está bajo ese proceso, lo que uno esperaría es que estas espirales se fragmenten y formen planetas gigantes. De todas maneras, esto no excluye la posibilidad de que también se formen planetas pequeños”, especifica.

La profesora Laura Pérez, en tanto, destaca que “estudiar un disco así nos permite avanzar en la comprensión de esta forma distinta de formar planetas, y de la cual existen pocas observaciones, pues al parecer es bastante inusual”. En este sentido, agrega que conocer la estructura, dinámica y química de estos discos protoplanetarios permitirá comprender cada vez más sobre el proceso de formación de los planetas. “Hay una ‘avenida’ para formar planetas que ha sido predicha, pero de la cual tenemos muy poca evidencia observacional: La formación planetaria a través de inestabilidades gravitacionales en un disco masivo, donde gracias a la gran gravedad del mismo disco este se fragmenta en regiones que colapsan y pueden formar planetas gigantes”.

La joven astrónoma de la Universidad de Chile plantea además que esperan que surja un sistema planetario desde este disco de polvo y gas en un máximo de 10 millones de años. “Eso es poco en la escala temporal de las estrellas, nuestro sol va a vivir por 12 mil millones de años, entonces, 10 millones de años en verdad es muy poco, pero es mucho para nosotros como humanos. Para comprender mejor lo que puede suceder hoy solo podemos combinar la mayor cantidad de observaciones posibles entre distintos instrumentos muy buenos, como los que usamos, en este caso ALMA”.

Pese a este importante avance científico, que establece un puente entre la teoría sobre las inestabilidades gravitacionales y la observación empírica del fenómeno, aún existen muchas interrogantes sobre esta materia. Actualmente, la astrónoma de la U. de Chile realiza su Doctorado en la ESO y su primer proyecto de investigación abordará la composición molecular de este disco. “Queremos entender cuáles son los ‘ingredientes’ primordiales para formar planetas, conocer su reservorio químico y ver sus diferencias y semejanzas con otros discos protoplanetarios. Esto permitiría también aportar en el conocimiento sobre el desarrollo de la vida en los planetas”, comenta.

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