En un estudio que aparece hoy en el Diario astrofísico , un equipo de investigadores liderado por el INAF exploró si las características anómalas en las distribuciones de polvo y gas del disco de HD 163296 reveladas por las observaciones de ALMA podrían surgir de la interacción de los planetas gigantes con planetesimales, un componente del disco previamente desconocido.

Los discos circunestelares compuestos de gas y polvo que rodean a las estrellas jóvenes en formación son el entorno en el que nacen los planetas. Su polvo proporciona el material de construcción a partir del cual los planetas comienzan su crecimiento y, como resultado de su incorporación a los cuerpos planetarios, se espera que su abundancia disminuya con el tiempo. Desde sus primeras imágenes de los brillantes anillos concéntricos del disco circunestelar alrededor de HL Tau, ALMA ha revolucionado nuestra visión de los discos circunestelares al revelar la presencia generalizada de una serie de estructuras de pequeña escala (huecos, anillos y brazos espirales) en su gas y polvo, la mayoría de ellos se cree que están relacionados con la presencia de planetas jóvenes y que surgen de la interacción de su gravedad con el entorno que los rodea.

Entre los discos mejor estudiados observados por ALMA se encuentra el que rodea a HD 163296, una estrella de 5 Myr de aproximadamente el doble de la masa del sol. El disco de HD 163296 es masivo (un poco menos de una décima parte de la masa del sol) y ancho (alrededor de 500 AU, dos veces el límite exterior del Cinturón de Kuiper en el sistema solar) y se ha propuesto que albergue al menos tres planetas con masas comprendidas entre el doble de la de Urano y la de Júpiter. Las observaciones más recientes de ALMA permitieron caracterizar espacial y compositivamente la estructura del disco de HD 163296 a un nivel nunca antes soñado y mostraron cómo el polvo todavía es bastante abundante (más de 300 veces la masa de la Tierra) en este disco a pesar de su edad y ha producido al menos tres planetas gigantes. Las mismas observaciones también revelaron algunos comportamientos extraños de la distribución espacial del polvo que no podrían explicarse fácilmente solo como resultado de su interacción con el gas y los planetas gigantes recién formados.

Se espera que el polvo migre hacia adentro desde las regiones externas del disco debido a su acoplamiento y fricción con el gas, pero también se espera que su migración sea detenida por planetas masivos. Como resultado de este flujo hacia adentro, el polvo debería desaparecer con el tiempo de la región que se encuentra inmediatamente dentro del planeta más interno de HD 163296. Al mismo tiempo, el polvo procedente de las regiones exteriores del disco debería acumularse fuera de las órbitas del segundo y tercer planetas. Las observaciones de ALMA revelaron, en cambio, que las regiones dentro del primer planeta y entre el primer y el segundo planetas tienen algunas de las concentraciones más altas de polvo de todo el disco. En un estudio que aparece hoy en el Diario astrofísico , un equipo de investigadores exploró si estas características anómalas podrían surgir de la interacción de los planetas gigantes con un componente del disco previamente desconocido:los planetesimales.

"Del estudio del sistema solar sabemos que los discos circunestelares maduros como HD 163296 no están compuestos sólo por gas y polvo, pero también contienen una población invisible de pequeños objetos planetarios similares a nuestros asteroides y cometas ”explica Diego Turrini, autor principal del estudio e investigador del Instituto de Astrofísica Espacial y Ciencias Planetarias (IAPS) del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF). También sabemos que la aparición de planetas gigantes afecta a estos planetesimales al provocar en su evolución orbital un breve pero intenso pico de excitación dinámica que, aunque corto desde el punto de vista de la larga vida de un sistema planetario, puede tener una duración comparable a la vida de los discos circunestelares, "dice Turrini.

El equipo se preguntó si estas interacciones entre los planetas gigantes jóvenes del HD 163296 y los planetesimales invisibles podrían producir las anomalías observadas en la distribución del polvo. Las simulaciones que realizaron mostraron cómo, durante el crecimiento de los tres planetas gigantes, una fracción cada vez mayor de la población circundante de planetesimales se inyecta en órbitas muy excéntricas y muy inclinadas similares a las de los cometas del sistema solar. "El resultado principal de esta excitación dinámica es una mayor tasa de colisiones violentas entre los planetesimales, "explica Francesco Marzari, profesor de la Universidad de Padua y coautor del estudio.

Cuando analizaron el resultado de las simulaciones dinámicas a través de un modelo de colisión, el equipo descubrió que las colisiones entre planetesimales permanecen bastante suaves hasta que los planetas gigantes se acercan a sus masas finales, pero luego rápidamente se multiplican por cien en violencia y comienzan a aplastar a los planetesimales. "Estas violentas colisiones reponen la población de polvo en el disco, "dice Marzari" El nuevo polvo producido por este proceso, sin embargo, tiene una distribución orbital diferente a la original y se concentra principalmente en dos lugares:la región orbital dentro del primer planeta gigante y el anillo entre el primer y el segundo planetas gigantes ". Las mismas dos regiones donde las observaciones de ALMA revelaron las mayores discrepancias con lo que se esperaba teóricamente.

El equipo descubrió que la excitación dinámica causada por la aparición de los tres planetas gigantes debería seguir actuando hasta la fecha en los planetesimales incrustados en el disco de HD 163296. Los autores también encontraron que la producción resultante de colisión sostenida de polvo es capaz de inyectar decenas de masas terrestres de polvo en esas dos regiones orbitales. explicando las observaciones de ALMA también desde un punto de vista cuantitativo. "Hasta ahora, estudiar este tipo de proceso mientras ocurre en discos circunestelares era posible sólo a través de simulaciones, ", dice Turrini." Gracias a ALMA, ahora podríamos estudiarlo a medida que sucede y aprender mucho sobre la interacción entre la formación planetaria y el entorno circundante ".

"La rápida velocidad a la que ALMA proporciona datos nuevos y más detallados en HD 163296 nos permitió ampliar nuestro estudio más allá de su alcance original, "explica Danai Polychroni, coautor del estudio y en ese momento profesor de la Universidad de Atacama e investigador adjunto del INAF-IAPS. "Notamos que muchos planetesimales están excitados a velocidades supersónicas con respecto al gas circundante del disco y pueden crear ondas de choque que pueden calentar tanto a los planetesimales como al gas. Si bien aún no pudimos modelar este proceso en detalle, Observaciones recientes reportaron la presencia inesperada de gas CO en regiones caracterizadas por temperaturas donde debería estar sólido congelado y de posibles anomalías en la estructura térmica del disco. Ambos hallazgos pueden, en principio, explicarse gracias a la presencia de estos planetesimales supersónicos y las ondas de choque que crean ".

"Este estudio se inició como un proyecto pionero para explorar si la excitación dinámica causada por los planetas gigantes recién formados podría producir efectos observables. Como tal, Acabamos de arañar la superficie de este proceso y sus implicaciones, "dice Leonardo Testi, también coautor del estudio y responsable del Centro de Apoyo ALMA del Observatorio Europeo Austral e investigador del INAF en excedencia. "Sin embargo, su receta física es bastante simple:planetas masivos formándose en un disco de planetesimales. Dadas las firmas generalizadas de posibles planetas gigantes jóvenes que estamos descubriendo con ALMA y la duración prolongada de los efectos dinámicos causados ​​por su aparición, podríamos estar mirando a un proceso que es bastante común entre los discos circunestelares ".

"El contexto del trabajo liderado por Diego Turrini es uno de los pilares de la sinergia GENESIS, "explica Claudio Codella (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri), Investigador principal del proyecto GENESIS-SKA, financiado por INAF. GENESIS-SKA (www.genesis.inaf.it) es un proyecto nacional en el que más de 60 investigadores de 8 institutos del INAF trabajan en estrecha colaboración con el objetivo general de investigar las condiciones favorables para el surgimiento de sistemas planetarios similares a nuestro sistema solar. . "

"Los resultados del presente proyecto, "añade Codella, será de suma importancia también para el estudio de las composiciones químicas del gas ubicado en las regiones donde se formarán los planetas, y, posiblemente, de sus atmósferas ".