Imágenes de alta resolución de ALMA de discos protoplanetarios cercanos, que son los resultados del proyecto de subestructuras de disco en alta resolución angular (DSHARP). Crédito:ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), S. Andrews et al .; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello
Los astrónomos han catalogado casi 4, 000 exoplanetas en órbita alrededor de estrellas distantes. Aunque el descubrimiento de estos mundos recién descubiertos nos ha enseñado mucho, todavía hay mucho que no sabemos sobre el nacimiento de los planetas y las recetas cósmicas precisas que generan la amplia gama de cuerpos planetarios que ya hemos descubierto, incluidos los llamados Júpiter calientes, mundos rocosos masivos, planetas enanos helados, y, con suerte, algún día pronto, análogos distantes de la Tierra.
Para ayudar a responder estas y otras preguntas interesantes, un equipo de astrónomos ha realizado la primera gran escala de ALMA, estudio de alta resolución de discos protoplanetarios, los cinturones de polvo y gas alrededor de estrellas jóvenes.
Conocido como el proyecto de subestructuras de disco en alta resolución angular (DSHARP), este "Gran Programa" del Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) ha arrojado resultados impresionantes, Imágenes de alta resolución de 20 discos protoplanetarios cercanos y proporcionaron a los astrónomos nuevos conocimientos sobre la variedad de características que contienen y la velocidad con la que pueden emerger los planetas.
Los resultados de esta encuesta aparecerán en un número de enfoque especial del Cartas de revistas astrofísicas .
Según los investigadores, La interpretación más convincente de estas observaciones es que los grandes planetas, probablemente similar en tamaño y composición a Neptuno o Saturno, forma rápidamente, mucho más rápido de lo que permitiría la teoría actual. Estos planetas también tienden a formarse en los confines de sus sistemas solares a tremendas distancias de sus estrellas anfitrionas.
Una formación tan precoz también podría ayudar a explicar cuán rocoso, Los mundos del tamaño de la Tierra pueden evolucionar y crecer, sobrevivir a su presunta adolescencia autodestructiva.
"El objetivo de esta campaña de observación de un mes fue buscar puntos en común y diferencias estructurales en los discos protoplanetarios. La visión extraordinariamente nítida de ALMA ha revelado estructuras nunca antes vistas y patrones inesperadamente complejos. "dijo Sean Andrews, astrónomo del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA) y líder de la campaña de observación de ALMA, junto con Andrea Isella de Rice University, Laura Pérez de la Universidad de Chile, y Cornelis Dullemond de la Universidad de Heidelberg. "Estamos viendo detalles distintos en torno a una amplia variedad de estrellas jóvenes de diversas masas. La interpretación más convincente de estos La característica a pequeña escala es que hay planetas invisibles que interactúan con el material del disco ".
Los modelos líderes para la formación de planetas sostienen que los planetas nacen por la acumulación gradual de polvo y gas dentro de un disco protoplanetario. comenzando con granos de polvo helado que se fusionan para formar rocas cada vez más grandes, hasta asteroides, planetesimales, y emergen los planetas. Este proceso jerárquico debería tardar muchos millones de años en desarrollarse, sugiriendo que su impacto en los discos protoplanetarios sería más frecuente en personas mayores, sistemas más maduros. Evidencia creciente, sin embargo, indica que no siempre es así.
Cuatro de los veinte discos que componen el estudio de mayor resolución de ALMA de discos protoplanetarios cercanos. - AS 209 es una estrella que alberga un disco que tiene 1 millón de años y se encuentra a unos 400 años luz de la Tierra. La imagen de ALMA muestra una serie muy compacta de anillos polvorientos en su disco interior y dos bandas delgadas de polvo adicionales muy lejos de la estrella central. - HD 143006 tiene unos 5 millones de años y se encuentra a 540 años luz de la Tierra. Esta estrella alberga un disco que muestra amplios espacios entre los carriles polvorientos que demarcan las porciones interior y exterior del disco. Una región densa en forma de arco, posiblemente presagiando una concentración de material donde se están formando cometas u otros cuerpos helados, se puede ver en la parte inferior izquierda del anillo exterior. - ALMA revela brazos en espiral de barrido en el disco de polvo que orbita IM Lup, una estrella joven ubicada a unos 515 años luz de la Tierra. Estos patrones pueden ser el resultado de un compañero planetario invisible que perturba el disco, o una inestabilidad global en la estructura del disco similar a la observada en galaxias espirales como la Vía Láctea. - AS 205 es un sistema de estrellas múltiples, con cada estrella luciendo su propio disco polvoriento. Dado que la mayoría de las estrellas de la Vía Láctea son múltiples, esta observación proporciona pistas sobre el potencial de planetas en tales sistemas. Este sistema se encuentra a unos 420 años luz de la Tierra. Crédito:ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) S. Andrews et al .; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello
Las primeras observaciones de ALMA de discos protoplanetarios jóvenes, algunos solo tienen alrededor de un millón de años, revelan estructuras sorprendentemente bien definidas, incluyendo anillos y espacios prominentes, que parecen ser el sello distintivo de los planetas. Inicialmente, los astrónomos fueron cautelosos al atribuir estas características a las acciones de los planetas, ya que podrían estar en juego otros procesos naturales.
“Fue sorprendente ver posibles firmas de formación de planetas en las primeras imágenes de alta resolución de discos jóvenes. Era importante averiguar si se trataba de anomalías o si esas firmas eran comunes en los discos, "dijo Jane Huang, estudiante de posgrado en CfA y miembro del equipo de investigación.
Dado que la muestra inicial de discos que los astrónomos podían estudiar era tan pequeña, sin embargo, era imposible sacar conclusiones generales. Podría haber sido que los astrónomos estuvieran observando sistemas atípicos. Se necesitaban más observaciones en una variedad de discos protoplanetarios para determinar las causas más probables de las características que estaban viendo.
La campaña DSHARP fue diseñada para hacer precisamente eso al estudiar la distribución a relativamente pequeña escala de partículas de polvo alrededor de 20 discos protoplanetarios cercanos. Estas partículas de polvo brillan naturalmente en una luz de longitud de onda milimétrica, permitiendo que ALMA mapee con precisión la distribución de densidad de partículas sólidas alrededor de estrellas jóvenes.
Dependiendo de la distancia de la estrella a la Tierra, ALMA pudo distinguir características tan pequeñas como unas pocas Unidades Astronómicas. (Una unidad astronómica es la distancia promedio de la Tierra al Sol, alrededor de 150 millones de kilómetros, que es una escala útil para medir distancias en la escala de sistemas estelares). Usando estas observaciones, los investigadores pudieron obtener imágenes de una población completa de discos protoplanetarios cercanos y estudiar sus características a escala AU.
Los investigadores encontraron que muchas subestructuras (huecos concéntricos, anillos estrechos:son comunes a casi todos los discos, mientras que los patrones en espiral a gran escala y las características en forma de arco también están presentes en algunos de los casos. También, los discos y huecos están presentes en una amplia gama de distancias de sus estrellas anfitrionas, desde unas pocas AU hasta más de 100 AU, que es más de tres veces la distancia de Neptuno a nuestro Sol.
Estas características, que podría ser la huella de grandes planetas, puede explicar cómo los planetas rocosos del tamaño de la Tierra pueden formarse y crecer. Por décadas, Los astrónomos se han preguntado sobre un obstáculo importante en la teoría de la formación de planetas:una vez que los cuerpos polvorientos crecen hasta un cierto tamaño (alrededor de un centímetro de diámetro), la dinámica de un disco protoplanetario liso los induciría a caer sobre su estrella anfitriona, nunca adquiriendo la masa necesaria para formar planetas como Marte, Venus, y la Tierra.
Los densos anillos de polvo que ahora vemos con ALMA producirían un refugio seguro para que los mundos rocosos maduren por completo. Sus densidades más altas y la concentración de partículas de polvo crearían perturbaciones en el disco, formando zonas donde los planetesimales tendrían más tiempo para convertirse en planetas completamente desarrollados.
"Cuando ALMA realmente reveló sus capacidades con su imagen icónica de HL Tau, tuvimos que preguntarnos si eso era un valor atípico ya que el disco era comparativamente masivo y joven, "señaló Pérez." Estas últimas observaciones muestran que, aunque llamativo, HL Tau está lejos de ser inusual y en realidad puede representar la evolución normal de los planetas alrededor de estrellas jóvenes ".
