ASTRONOMÍA. ALMA toma imágenes de siguiente nivel de un disco protoplanetario

ALMA toma imágenes de siguiente nivel de un disco protoplanetario

 

Esta imagen de ALMA de la joven estrella HL Tauri muestra anillos de polvo que rodean la estrella. Los patrones de líneas muestran la orientación de la luz polarizada. Es la imagen de polarización de polvo más profunda de cualquier disco protoplanetario capturada hasta ahora, y revela detalles sobre los granos de polvo en el disco. Fuente: NSF/AUI/NRAO/B. Saxton/Stephens et al.

19 noviembre 2023.- El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) se encuentra en lo alto de los Andes chilenos. ALMA está compuesto por 66 antenas de alta precisión que trabajan juntas para observar la luz justo entre la radio y el infrarrojo. Su especialidad son los objetos fríos y, en los últimos años, ha tomado algunas imágenes impresionantes y científicamente esclarecedoras de discos protoplanetarios y los planetas que se forman en ellos. Pero su imagen más reciente los reemplaza a todos los anteriores.

La formación de sistemas solares y planetas y cómo evolucionan es uno de los temas principales de ALMA. Se ha ganado una reputación por obtener imágenes de estrellas jóvenes T Tauri y sus discos protoplanetarios. Estas imágenes muestran las brechas reveladoras creadas, según creen los astrónomos, por planetas jóvenes que aún se están formando.

Las imágenes de alta resolución de ALMA de discos protoplanetarios cercanos provienen del Proyecto de Subestructuras de Discos en Alta Resolución Angular (DSHARP). El observatorio se utiliza a menudo para buscar discos como estos. Fuente: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

En una nueva investigación, un equipo de astrónomos examinó más profundamente un disco protoplanetario. Miden la polaridad de la luz procedente de los granos de polvo del disco. Esta no es la primera vez que ALMA estudia la polaridad de un disco. Pero esta imagen se basa en 10 veces más mediciones de polarización que cualquier otro disco y 100 veces más mediciones que la mayoría de los discos.

El artículo de investigación “Aligned grains and scattered light found in gaps of planet-forming disk" se ha publicado en Nature y el autor principal es Ian Stephens. Stephens es profesor asistente en el Departamento de Tierra, Medio Ambiente y Física de la Universidad Estatal de Worcester, Worcester, MA, EE. UU.

¿Qué tiene de útil medir la polaridad del polvo en un disco protoplanetario? Puede revelar cosas como el tamaño y la forma de los granos de polvo. Estas son sus características básicas y, de alguna manera, afectan el comportamiento del polvo y, finalmente, la formación de planetas.

Están sucediendo muchas cosas en los discos protoplanetarios, aunque se necesitan millones de años para que todo se desarrolle. Con el tiempo, piensan los científicos, los discos jóvenes como este alrededor de HL Tauri madurarán y se estabilizarán. Los planetas pueden entrar en resonancia entre sí, algunos planetas pueden migrar y, eventualmente, es probable que las cosas se estabilicen como lo ha hecho nuestro Sistema Solar.

Y todo empieza con el polvo.

HL Tau está a unos 450 años luz de distancia, en la Nube Molecular de Taurus (TMC) , una región de formación estelar que puede ser la más cercana a la Tierra. Todas las estrellas de la TMC, incluida HL Tau, tienen sólo uno o dos millones de años. A esa edad, los discos alrededor de las estrellas deberían estar empezando a formar planetas, y es por eso que ALMA lo está estudiando.

Y esta no es la primera vez. De hecho, la imagen más nítida jamás capturada por ALMA fue la de HL Tau.

Esta es la imagen más nítida jamás tomada por ALMA, más nítida que la que se logra habitualmente en luz visible con el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA. Muestra el disco protoplanetario que rodea a la joven estrella HL Tauri. En estrellas jóvenes como ésta, las observaciones revelan subestructuras dentro del disco que nunca antes se habían visto. Pueden mostrar las posibles posiciones de los planetas que se forman en las zonas oscuras del sistema. Fuente: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

En el nuevo estudio, Stephens y sus colegas querían investigar HL Tau aún más profundamente. Se centraron en la polaridad del polvo porque hay muchas cosas que no sabemos sobre cómo se forman los planetas. La polaridad puede proporcionar pistas sobre el proceso que otras observaciones no pueden proporcionar. La polaridad del polvo podría revelar cosas sobre la estructura subyacente del disco de HL Tau que no pueden revelarse de ninguna otra manera.

Con el tiempo, los granos de polvo del disco comienzan a pegarse. Este proceso continúa hasta que se forman planetesimales y, finalmente, planetas. HL Tau y su disco tienen su propio campo magnético, y los científicos creen que el campo puede afectar cómo se alinean los granos de polvo y cómo se acumulan en estructuras más grandes. Sin embargo, las mediciones de polaridad muestran que el polvo no está alineado con los campos magnéticos.


Esta figura de la investigación muestra la morfología de polarización de HL Tau. La polaridad de los granos no coincide con los campos magnéticos del sistema. Imagen: Stephens et al. 2023

En cambio, la polaridad proviene de la forma de los granos. Los granos no tienen por qué ser redondos; pueden ser alargados, como esferas alargadas. Y eso significa que pueden polarizar la luz. Eso limita el tamaño y la forma de los granos, lo que a su vez debería afectar la forma en que se agrupan.

La imagen de ALMA también mostró que un lado del disco protoplanetario está más polarizado que el otro. Probablemente esto se deba a asimetrías en la distribución del polvo o a cómo las propiedades de los granos son diferentes en un lado. Pero todavía no hay una respuesta clara.

Las imágenes revelaron otra sorpresa. La polaridad del polvo dentro de los huecos es más azimutal , aunque hay menos polvo allí. Eso sugiere que el polvo está más alineado en los huecos. Los huecos son donde se forman los planetas. ¿Las propiedades del polvo reflejan la formación de planetas? ¿O ayuda a explicarlo? La polaridad en los propios anillos es más uniforme, lo que indica que la polaridad proviene de la dispersión, lo que aumenta la complejidad.


Esta figura de la investigación muestra la fracción de polarización (L) y la intensidad de polarización (R) del disco de HL Tau. Las fracciones de polarización suelen ser mucho mayores en los espacios que en los anillos. Incluso la intensidad polarizada es frecuentemente mayor en las brechas. Imagen: Stephens et al. 2023.

En general, la polaridad tiene dos causas: la dispersión y la alineación del polvo. Pero a partir de las imágenes y los datos no queda claro qué está causando que el polvo se alinee como lo hace. Es poco probable que el polvo esté alineado con los campos magnéticos, aunque, curiosamente, el polvo fuera de un disco protoplanetario suele estarlo. La idea actual es que la alineación tiene una causa mecánica más que magnética. Podría deberse al movimiento alrededor de la estrella, pero todavía no hay un consenso claro.

Esta investigación no proporciona ninguna respuesta definitiva a nuestras preguntas sobre la formación de planetas en los discos alrededor de estrellas jóvenes. Pero el disco de HL Tau parece estar muy evolucionado para su edad. Probablemente no tenga más de un millón de años, pero muestra los anillos y espacios reveladores que indican la formación de planetas.

Un estudio anterior , también dirigido por Ian Stephens de la Universidad Estatal de Worcester, sugirió que la rápida tasa de acreción podría deberse a los complejos campos magnéticos de HL Tau. "La morfología inesperada sugiere que el papel del campo magnético en la acreción de una estrella T Tauri es más complejo que nuestra comprensión teórica actual", escribieron Stephens y sus colegas en esa investigación.

Desafortunadamente, incluso con esta imagen excepcional de ALMA, nuestras preguntas siguen sin respuesta. Pero este es sólo un disco. Los resultados muestran que una imagen de alta resolución de la polarización de un disco protoplanetario revela detalles que de otro modo estarían ocultos. Necesitamos más imágenes de este tipo de más discos alrededor de estrellas jóvenes T Tauri como HL Tau.

Con una muestra de gran tamaño, los científicos podrían lograr más avances.

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La Crónica del Henares: ASTRONOMÍA. ALMA toma imágenes de siguiente nivel de un disco protoplanetario
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