Desierto de Atacama (Chile).- Un equipo internacional de astrónomos descubrió anillos, surcos y cavidades en pequeños discos de gas y polvo que rodean estrellas jóvenes, estructuras que podrían revelar dónde y cómo comienzan a formarse nuevos planetas. El hallazgo fue posible gracias a observaciones de alta resolución realizadas con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile.
La investigación examinó 11 discos protoplanetarios extremadamente compactos en la región de formación estelar de Lupus. Los científicos identificaron estructuras claramente definidas en cuatro de ellos y encontraron indicios similares en otros tres, lo que cuestiona la idea de que los discos diminutos sean menos complejos que los de mayor tamaño.
Los resultados, publicados en la revista científica The Astrophysical Journal Letters, sugieren que algunas de estas estructuras podrían estar relacionadas con la formación de planetas de masas comparables a las de las supertierras y los minineptunos, aunque todavía no constituyen pruebas directas de su existencia.
ALMA revela detalles invisibles en discos pequeños
Los discos protoplanetarios son acumulaciones de gas y polvo que rodean estrellas jóvenes y contienen los materiales a partir de los cuales pueden formarse planetas.
Durante años, ALMA ha obtenido imágenes de grandes discos con estructuras complejas, incluidos anillos concéntricos y espacios aparentemente vacíos. Estas características permiten estudiar cómo se distribuye el material y qué procesos intervienen en el nacimiento de sistemas planetarios.
Sin embargo, los discos más compactos parecían relativamente uniformes. Esa diferencia planteaba una pregunta: ¿realmente evolucionan de manera distinta o sus estructuras son demasiado pequeñas para distinguirlas con los instrumentos disponibles?
Para investigarlo, un equipo encabezado por Pietro Curone, del Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA) y la Universidad de Chile, utilizó las antenas de ALMA en su configuración más extendida.
Las observaciones alcanzaron una resolución angular de aproximadamente 0,02 segundos de arco, equivalente a distinguir detalles separados por unas dos unidades astronómicas a la distancia de Lupus.
Una unidad astronómica corresponde aproximadamente a la distancia promedio entre la Tierra y el Sol.
Esta capacidad permitió identificar características situadas a menos de 10 unidades astronómicas de las estrellas centrales, una región que había resultado difícil de estudiar con semejante precisión.
«Durante mucho tiempo, los discos más pequeños parecían mucho más simples que los grandes y espectaculares discos que ALMA hizo famosos. Lo que encontramos es que al menos parte de esa diferencia era una ilusión causada por la resolución», explicó Curone.
Cuatro discos presentan estructuras claras cerca de sus estrellas
De los 11 sistemas examinados, cuatro mostraron subestructuras claramente identificables, mientras que otros tres presentaron señales que podrían corresponder a características similares.
Uno de los resultados más destacados corresponde al sistema Sz 112, donde los investigadores distinguieron una cavidad central que se extiende hasta apenas 1,6 unidades astronómicas de la estrella.
La detección demuestra que los procesos capaces de producir anillos y cavidades también pueden actuar en regiones considerablemente más pequeñas que las estudiadas habitualmente en los grandes discos protoplanetarios.
Para determinar si estos resultados eran excepcionales, el equipo comparó sus observaciones con investigaciones anteriores de ALMA.
Los investigadores encontraron estructuras en aproximadamente el 44 % de los discos extremadamente compactos con radios de entre 3 y 10 unidades astronómicas. La proporción aumentó al 55 % entre aquellos con radios de 10 a 30 unidades astronómicas.
En discos mayores de 30 unidades astronómicas, la tasa de detección superó el 90 %.
Aunque los discos grandes siguen mostrando una mayor frecuencia de estructuras identificables, la comparación indica que las limitaciones de resolución influyeron en las observaciones anteriores.
«Este es un buen ejemplo de cómo cambia nuestro entendimiento al mejorar la resolución. Un disco que parece uniforme al observarlo desde más lejos puede mostrar una rica estructura interna cuando logramos distinguir detalles separados por apenas unas pocas unidades astronómicas», señaló Laura Pérez, investigadora de la Universidad de Chile y coautora del estudio.
Los anillos de polvo podrían favorecer el nacimiento de planetas
La presencia de anillos y surcos resulta especialmente interesante porque estas estructuras pueden influir en el comportamiento del polvo que rodea una estrella joven.
Las partículas sólidas presentes en un disco protoplanetario tienden a desplazarse progresivamente hacia el interior, en dirección a la estrella, debido a su interacción con el gas.
Sin mecanismos capaces de frenar ese movimiento, una parte importante del material sólido podría abandonar las regiones exteriores del disco antes de que se formen planetas.
Los cambios de presión en el gas pueden crear zonas donde las partículas quedan atrapadas y se acumulan. Estas concentraciones, conocidas como trampas de presión, ofrecen condiciones favorables para que los granos de polvo crezcan y participen en la formación planetaria.
Los anillos y surcos observados por ALMA podrían ser manifestaciones de esos procesos.
«Nuestras nuevas observaciones con ALMA sugieren que estas trampas pueden existir a solo unas pocas unidades astronómicas de las estrellas jóvenes, incluso en discos extremadamente compactos», explicó Nienke van der Marel, del Observatorio de Leiden.
La investigadora también planteó que algunos de los surcos identificados podrían haber sido producidos por planetas jóvenes que todavía se encuentran en formación.
Posibles supertierras y minineptunos en formación
El equipo analizó qué masas planetarias serían necesarias para producir las estructuras detectadas, utilizando modelos que suponen que cada surco fue generado por un solo planeta.
Para las características situadas a menos de cinco unidades astronómicas de la estrella, las estimaciones resultaron compatibles con planetas pertenecientes a las categorías de supertierras y minineptunos.
Las supertierras son planetas más masivos que la Tierra, mientras que los minineptunos son mundos de tamaño inferior al de Neptuno, pero generalmente mayores que nuestro planeta.
Estos posibles objetos ocuparían regiones orbitales difíciles de investigar mediante las técnicas actuales de detección de exoplanetas y los estudios de discos concentrados en distancias mucho mayores.
«Si algunos de estos espacios son producto de planetas, podríamos estar viendo las huellas de planetas de masa relativamente baja mientras aún se están formando, a distancias orbitales que hasta ahora han sido muy difíciles de explorar», afirmó Curone.
No obstante, los investigadores subrayan que los surcos y cavidades no representan detecciones directas de planetas.
Existen otros procesos físicos capaces de generar estructuras semejantes, por lo que todavía no es posible determinar con certeza qué mecanismo produjo cada una de las características observadas.
Algunos discos compactos podrían ser más extensos de lo esperado
Las observaciones también aportaron información inesperada sobre el tamaño de algunos sistemas.
En Sz 73 y Sz 130, los astrónomos identificaron anillos débiles que se extienden mucho más allá de los discos centrales brillantes.
Otros cuatro sistemas presentaron posibles indicios de emisiones exteriores similares.
Estos resultados plantean que algunos discos clasificados anteriormente como extremadamente pequeños podrían contener material distribuido en regiones más amplias, pero demasiado tenue para haber sido detectado en observaciones previas.
La posibilidad refuerza la necesidad de distinguir entre el tamaño aparente de un disco y su extensión física real.
También sugiere que los discos grandes y compactos podrían compartir procesos fundamentales, aunque sus estructuras se manifiesten a escalas diferentes.
Nuevas observaciones buscarán confirmar el origen de los surcos
El siguiente paso será estudiar una muestra más amplia de discos compactos con observaciones de alta resolución y diferentes longitudes de onda.
Los investigadores también esperan examinar tanto la distribución del polvo como el comportamiento del gas para determinar qué mecanismos generan las estructuras identificadas.
Estos estudios permitirán evaluar si los anillos y cavidades son habituales en discos pequeños y establecer hasta qué punto pueden utilizarse como señales indirectas de formación planetaria.
La investigación estuvo dirigida por Pietro Curone, junto con Gijs Mulders, de la Pontificia Universidad Católica de Chile; Nienke van der Marel, del Observatorio de Leiden; y Laura Pérez, de la Universidad de Chile.
El trabajo, titulado Probing Planet Formation within 10 au: Dust Substructures in Extremely Compact Protoplanetary Disks está disponible en The Astrophysical Journal Letters.
ALMA es una instalación astronómica internacional operada mediante una colaboración entre instituciones de Europa, Norteamérica y Asia del Este, en cooperación con Chile. Sus observaciones permiten estudiar regiones de formación estelar y planetaria que resultan difíciles de examinar mediante telescopios convencionales.
Este artículo fue elaborado con la ayuda de herramientas de inteligencia artificial y revisado por un editor de Hispanos Press
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