Dos equipos independientes de astrónomos han descubierto pruebas convincentes de que tres planetas jóvenes están en órbita alrededor de una estrella infantil conocida como HD 163296. Usando una nueva estrategia de búsqueda de planetas, los astrónomos identificaron tres perturbaciones discretas en el disco lleno de gas de una estrella joven:la evidencia más fuerte hasta ahora de que los planetas recién formados están en órbita allí.

Durante los últimos años, Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) ha transformado nuestra comprensión de los discos protoplanetarios, las fábricas de planetas llenas de gas y polvo que rodean a las estrellas jóvenes. Los anillos y huecos en estos discos proporcionan una evidencia circunstancial intrigante de la presencia de planetas. Otros fenómenos, sin embargo, podría explicar estas características tentadoras.

Usando una nueva técnica de búsqueda de planetas que identifica patrones inusuales en el flujo de gas dentro de un disco protoplanetario, dos equipos de astrónomos han confirmado las distintas, características reveladoras de los planetas recién formados que orbitan alrededor de una estrella infantil en nuestra galaxia. Estos resultados se presentan en un par de artículos que aparecen en el Cartas de revistas astrofísicas .

"Miramos el localizado, Movimiento de gas a pequeña escala en el disco protoplanetario de una estrella. Este enfoque completamente nuevo podría descubrir algunos de los planetas más jóvenes de nuestra galaxia, todo gracias a las imágenes de alta resolución de ALMA, "dijo Richard Teague, astrónomo de la Universidad de Michigan y autor principal de uno de los artículos.

Para hacer sus respectivos descubrimientos, cada equipo analizó los datos de varias observaciones de ALMA de la joven estrella HD 163296. HD 163296 tiene unos 4 millones de años y se encuentra a unos 330 años luz de la Tierra en dirección a la constelación de Sagitario.

En lugar de centrarse en el polvo del disco, que se reflejó claramente en una observación anterior de ALMA, en cambio, los astrónomos estudiaron la distribución y el movimiento del gas de monóxido de carbono (CO) en todo el disco. Las moléculas de CO emiten de forma natural una luz de longitud de onda milimétrica muy distintiva que ALMA puede observar. Los cambios sutiles en la longitud de onda de esta luz debido al efecto Doppler permiten vislumbrar la cinemática —o movimiento— del gas en el disco.

Si no hubiera planetas el gas se movería alrededor de una estrella de una manera muy simple, patrón predecible conocido como rotación kepleriana.

"Se necesitaría un objeto relativamente masivo, como un planeta, para crear perturbaciones localizadas en este movimiento ordenado, ", dijo Christophe Pinte de la Universidad de Monash en Australia y autor principal de uno de los dos artículos." Nuestra nueva técnica aplica este principio para ayudarnos a comprender cómo se forman los sistemas planetarios ".

El equipo dirigido por Teague identificó dos patrones distintivos similares a planetas en el disco, uno a aproximadamente 80 unidades astronómicas (AU) de la estrella y el otro a 140 AU. (Una unidad astronómica es la distancia promedio de la Tierra al Sol, o unos 150 millones de kilómetros.) El otro equipo, dirigido por Pinte, identificó el tercero a unas 260 UA de la estrella. Los astrónomos calculan que los tres planetas son similares en masa a Júpiter.

Los dos equipos utilizaron variaciones de la misma técnica, que analizó anomalías en el flujo del gas, como se ve en las longitudes de onda cambiantes de la emisión de CO, que indicaría que estaba interactuando con un objeto masivo.

Teague y su equipo midieron las variaciones en la velocidad del gas. Esto reveló el impacto de múltiples planetas en el movimiento del gas más cercano a la estrella.

Pinte y su equipo midieron más directamente la velocidad real del gas, que es mejor para estudiar la parte exterior del disco y puede identificar con mayor precisión la ubicación de un planeta potencial.

Detectando protoplanetas

"Aunque se han descubierto miles de exoplanetas en las últimas décadas, la detección de protoplanetas está en la frontera de la ciencia, ", dijo Pinte. Las técnicas que se utilizan actualmente para encontrar exoplanetas en sistemas planetarios completamente formados, como medir la oscilación de una estrella o cómo un planeta en tránsito atenúa la luz de las estrellas, no se prestan para detectar protoplanetas.

Las impresionantes imágenes de ALMA de HD 163296 y otros sistemas similares han revelado patrones intrigantes de anillos concéntricos y espacios dentro de los discos protoplanetarios. Estas brechas pueden ser evidencia de que los protoplanetas están quitando el polvo y el gas de sus órbitas. incorporando parte de ella en sus propios ambientes. Un estudio anterior del disco de esta estrella en particular muestra que los espacios de polvo y gas se superponen, sugiriendo que al menos dos planetas se han formado allí.

Estas observaciones iniciales, sin embargo, simplemente proporcionó evidencia circunstancial y no podría usarse para estimar con precisión las masas de los planetas, señaló Teague. "Dado que otros mecanismos también pueden producir huecos anillados en un disco protoplanetario, es imposible decir de manera concluyente que los planetas están allí simplemente mirando la estructura general del disco, " él dijo.

Innovación más reciente

La clave para una detección más concluyente, nota a los astrónomos, radica en extraer las firmas de velocidad de escala fina del gas de monóxido de carbono.

"Aunque el polvo juega un papel importante en la formación de planetas y proporciona información invaluable, el gas representa el 99 por ciento de la masa de un disco protoplanetario, ", dijo el coautor Jaehan Bae del Carnegie Institute for Science." Por lo tanto, es crucial estudiar la cinemática del gas ".

La luz que emite un gas desde un disco protoplanetario cambia sus longitudes de onda dependiendo del movimiento relativo del gas a la Tierra debido al efecto Doppler. "Esto es análogo a la técnica Doppler utilizada para encontrar planetas completamente formados, ", dijo el coautor Dan Foreman-Mackey del Instituto Flatiron." Aunque en lugar de mirar los cambios en la longitud de onda del bamboleo de la estrella, estamos sumergiéndonos profundamente en el disco para ver cómo están ocurriendo los cambios a gran escala ".

La fantástica resolución de ALMA permitió a los investigadores medir los patrones de velocidad del monóxido de carbono en todo el disco.

"La precisión es alucinante, ", dijo el coautor Til Birnstiel del Observatorio de la Universidad de Munich. En un sistema donde el gas gira a unos 5 kilómetros por segundo, ALMA detectó cambios de velocidad tan pequeños como unos pocos metros por segundo. "Esto nos permite encontrar desviaciones muy pequeñas de la rotación normal esperada en un disco, "Dijo Teague. Los planetas cambian la densidad del gas cerca de sus órbitas, que cambia la presión del gas, induciendo estos cambios correspondientes en la velocidad.

"Comparamos las observaciones con modelos informáticos para mostrar que los flujos observados encajan a la perfección con las predicciones del patrón de flujo alrededor de un planeta recién nacido unas pocas veces la masa de Júpiter, ", dijo el coautor Daniel Price de la Universidad de Monash.

Esta nueva técnica permite a los astrónomos estimar con mayor precisión las masas protoplanetarias y es menos probable que produzca falsos positivos. "Ahora estamos llevando a ALMA al frente y al centro en el ámbito de la detección de planetas, ", dijo el coautor Ted Bergin de la Universidad de Michigan.

"A menudo en la ciencia, las ideas resultan no funcionar o las suposiciones resultan ser incorrectas. Este es uno de los casos en los que los resultados son mucho más emocionantes de lo que había imaginado, "Dijo Birnstiel.

"Estos estudios también nos ayudarán a comprender cómo nacieron planetas como los de nuestro sistema solar, ", dijo el coautor Francois Menard de la Universidad de Grenoble en Francia.

Ambos equipos seguirán perfeccionando este método y lo aplicarán a otros discos, donde esperan comprender mejor cómo se forman las atmósferas y qué elementos y moléculas se entregan a un planeta en su nacimiento.

Esta investigación se presentó en dos artículos que aparecerán en la misma edición de la Cartas de revistas astrofísicas . El primero se titula "Evidencia cinemática de un protoplaneta incrustado en un disco circunestelar", por C. Pinte et al. y el segundo "Una detección cinemática de dos protoplanetas incrustados en masa de Júpiter invisibles", por R. Teague et al.