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Formación planetaria temprana en un sistema estelar naciente

Las estrellas jóvenes están rodeadas normalmente por discos rotativos de gas y polvo a los que se llama discos protoplanetarios o protoestelares. Estas estructuras son las cruciales fuentes del material con el que se harán los planetas, pero sigue siendo una pregunta sin respuesta la de cuándo empieza el proceso de formación de estos. En un artículo publicado en NatureDominique Segura-Cox, del Centro de Estudios Astroquímicos del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, en Garching, Baviera, y del Departamento de Astronomía de la Universidad de Illinois en Urbana, y sus colaboradores han arrojado luz sobre este misterio al informar de una serie de anillos y separaciones en un disco protoestelar tan joven que la nube de la que nació está aún colapsando, proceso que forma la estrella y el disco. Se suele atribuir el origen de rasgos así a planetas que despejan pistas a través del disco. Dado que este es quizás el disco más joven que se haya observado con rasgos de esa naturaleza, el hallazgo sirve para establecer la escala temporal de la aparición de planetas e impone restricciones clave a las teorías del ensamblaje de los planetas.

La formación de los planetas es un proceso complejo en el que participan partículas diminutas de polvo (de menos de un micrómetro de tamaño) que se acumulan hasta convertirse en cuerpos de un tamaño como el de la Tierra o aún más grandes. La teoría más aceptada para explicar este proceso es la acreción de núcleos, en la que la acumulación constante de pequeñas partículas produce guijarros, piedras, rocas y al final planetas. Un posible problema de este esquema es que la formación de planetas puede ser lenta, lo cual parece entrar en contradicción con que, por lo que se ha observado, no parezca a su vez que los discos protoestelares que tienen más de alrededor de un millón de años posean material suficiente para formar planetas. Se han propuesto actualizaciones de la teoría para remediarlo, pero en última instancia la única forma de refinar los modelos de la acreción de núcleos es determinar cuánto se tarda en que los planetas se formen en la realidad. Como es natural, la mejor forma de hacerlo es encontrar planetas recién nacidos en discos jóvenes.

Uno de los métodos de detección de planetas recién nacidos es dar con pruebas de su influencia en la estructura del disco donde estén inmersos. En los cinco últimos años, el observatorio Gran Red Milimétrica/submilimétrica de Atacama (ALMA), en Chile, ha aportado una abundancia de imágenes de alta resolución de discos protoestelares que tienen más de un millón de años de edad. Y, en efecto, se ha encontrado una buena cantidad de «subestructuras» interesantes.

Las más comunes son los anillos estrechos brillantes y oscuros que podrían indicar que un planeta ha abierto separaciones en el disco mientras gira alrededor de la estrella, aunque se han observado también otros rasgos, como unas espirales o grandes asimetrías en la distribución del material en el disco. Un resultado que llama la atención es que esas subestructuras, que puede que estén relacionadas con la formación de planetas, parecen existir en casi todos los discos protoestelares de los que se han podido tomar imágenes con una resolución suficientemente alta para detectarlas. De la idea de las «separaciones abiertas por planetas» se seguiría entonces que los planetas se formarían en alrededor de un millón de años.

La frecuencia con que se han detectado planetas en discos de más de un millón de años suscita la pregunta de cuál es el momento más temprano en que se pueden formar los planetas, o al menos las subestructuras de los discos. Se han encontrado unos pocos ejemplos de discos más jóvenes (cuya edad esté entre el medio millón y el millón de años) que tienen subestructuras, pero no mucho más jóvenes que los sistemas subestructurados observados antes.

Segura-Cox y sus colaboradores han sobrepasado ese límite de edad al hallar la primera prueba clara de la existencia en un disco que tiene menos de medio millón de años de subestructuras similares a anillos brillantes y oscuros. Esto impone nuevas restricciones al momento en que esos rasgos pueden formarse y al momento en que pueden formarse los planetas (si es que, en efecto, son los planetas la explicación de la presencia de los rasgos). En la imagen que ALMA ha tomado de ese disco joven, los investigadores vieron dos anillos oscuros acompañados por dos anillos brillantes correspondientes que se asemejan a los observados en discos más viejos.

Aunque se pueden captar estos rasgos sutiles si se mira con mucho cuidado, los autores los han ampliado al sustraer de su imagen un modelo de un disco sin rasgos, con lo que estos resaltan más. Al proceder así, encontraron además indicios de que el disco podría ser sutilmente asimétrico.

Lo interesante es cuán diferentes parecen esos rasgos de los que se ven en discos más viejos: los anillos no son muy prominentes, cuesta percibirlos, mientras que en discos más viejos lo son mucho más. Se necesita un conjunto mayor de observaciones de discos jóvenes para ver si esto es lo habitual, pero si lo es se tratará de una pista importante sobre el proceso de formación planetaria y cuándo empieza. De los planetas jóvenes cabría esperar que roturasen grandes separaciones, así que quizá Segura-Cox y sus colaboradores han observado en realidad la acumulación de material polvoriento en regiones muy densas que conducen a la formación de planetas.

Hay que tener presentes algunas limitaciones del nuevo estudio. Es bien sabido lo difícil que resulta medir las edades de las estrellas jóvenes; en un sistema tan joven como este, no queda apenas otro remedio que usar métodos indirectos. Las estrellas de menos de alrededor de un millón de años están todavía inmersas en la nube de material que colapsa y forma el disco y la estrella. Como se espera que ese envoltorio de materia se esquilme con el tiempo, la cantidad de materia que contiene, comparada con la del disco, debe ser un indicador de la edad del sistema. Sin embargo, resulta difícil medir esa cantidad; proporciona, pues, una medición de por sí imprecisa de la edad. Por esta razón, no queda exactamente claro hasta qué punto son más jóvenes los rasgos descritos en el nuevo artículo que los observados en los discos de anteriores publicaciones, y por lo tanto cuánto más pronto en la vida del sistema discoidal se produjo el indicio observado de formación planetaria en este nuevo disco que en los observados antes.

Además, aunque la explicación más emocionante de los rasgos de los discos sea la que identifica las separaciones como roturaciones del disco por planetas, se han propuesto otras explicaciones, por ejemplo la sublimación de gases en los granos de polvo mientras la materia se desplaza hacia dentro, hacia regiones más calientes del disco. Esto hace que sea difícil adscribir esos rasgos solo a los planetas en los discos jóvenes. Con todo, la mayor parte de las posibles causas de los rasgos podría contribuir al proceso de formación de planetas, así que, de una forma u otra, Segura-Cox y sus colaboradores seguramente han visto en acción los comienzos de la formación de planetas en uno de los discos más jóvenes que se hayan observado.

Patrick Sheehan / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: Four annular structures in a protostellar disk less than 500,000 years old, de Dominique M. Segura-Cox et al., en Nature 586, páginas 228–231 (2020).