Los discos estelares nos revelan los secretos de la aparición de planetas

Las imágenes detalladas de los discos que giran alrededor de estrellas jóvenes revelan los detalles de la apariencia del sistema solar.

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Durante los últimos dos siglos y medio, los científicos que intentaron imaginar la aparición de sistemas planetarios (incluido el nuestro) se han concentrado en un cierto punto: un disco que gira alrededor de una estrella recién nacida , en el que los planetas están moldeados de gas y polvo, como si fuera arcilla en una rueda de cerámica.

Pero, ¿qué pasa con la verificación experimental de esta idea, el verdadero descubrimiento de exoplanetas que se unen a partir de piezas de materia en remolino? Hasta ahora, sin éxito. "Hoy todos dicen que los planetas se forman a partir de discos protoplanetarios", dice Rubin Dong , astrofísico de la Universidad de Arizona. "Pero esta propuesta, estrictamente hablando, es una declaración teórica".

Los logros de los últimos años indican que no seguirá siendo teórico por mucho tiempo. Utilizando instrumentos de segunda generación ubicados en telescopios terrestres gigantes, varios equipos finalmente pudieron examinar el interior de varios discos protoplanetarios, revelando imágenes inesperadas y misteriosas.

Las observaciones más recientes tuvieron lugar el 11 de abril, cuando el Observatorio Europeo Austral lanzó ocho imágenes de discos que rodean a estrellas jóvenes parecidas al sol, que tal vez nos muestren cómo era nuestro Sistema Solar en la infancia.

Las imágenes no muestran puntos de luz claros e inequívocos que indiquen los planetas. Pero estos y otros sistemas aún contienen pistas seductoras, aunque indirectas, de que los planetas recién nacidos pueden estar escondidos en ellas. Algunos discos parecen un disco de vinilo, con anillos y huecos que podrían ser tallados por mundos jóvenes. En otros discos, la estrella resalta las superficies superior e inferior, formando una estructura que se asemeja al yoyo.

Si los astrónomos pudieran encontrar el germen del planeta en tal lugar, la ganancia sería significativa. Esto no solo probaría una de las ideas más profundas de la astronomía: una medición numérica del lugar donde se forma el planeta y su tamaño, ayudaría de inmediato a juzgar las teorías beligerantes de la formación de planetas.

Una opinión sobre la formación de planetas se llama acreción del núcleo y dice que los planetas se forman lentamente, acumulándose alrededor de núcleos rocosos, en regiones cercanas a su estrella. Otra teoría se refiere a las inestabilidades gravitacionales del disco, lo que sugiere que los planetas gigantes pueden agruparse rápidamente y lejos de su estrella. Ahora estas ideas se pueden probar en la distribución de planetas conocidos en nuestro sistema solar y en sistemas extrasolares. Pero nunca fueron estudiados por el ejemplo del proceso en curso, antes de que los planetas tuvieran la oportunidad de migrar y reorganizar su orden.

Esto le da a los astrónomos que estudian estos sistemas un objetivo unificador inacabado. Mira las ruedas opacas, distantes y dentadas. Caza de planetas jóvenes. Finalmente, después de siglos de anticipación, comience a descubrir los procesos fundamentales que dan forma a los mundos del universo.

Detección directa

En la búsqueda de planetas en discos protoplanetarios, es fácil convencernos de que los vemos. Los astrónomos que estudian estos discos ya han notado muchos puntos de luz escondidos dentro de ellos. Por ejemplo, el 6 de mayo, un grupo internacional reportó signos de un planeta gigante escondido en el sistema CS Chameleon. Pero por ahora, estos puntos siguen siendo candidatos para los planetas, y no confirmados por los mundos.


El sistema Chameleon CS oculta lo que parece un pequeño compañero, marcado con un círculo punteado. Los filtros polarizadores especiales (imagen azul) permiten ver el disco de polvo con un objeto oculto.

"Ahora estamos a la vanguardia de la tecnología", dijo Catherine Folett , astrónoma del Amherst College. "Con respecto a los planetas dentro de los discos, absolutamente todos estos casos son objeto de acalorados debates".

Una de las principales herramientas de búsqueda es SPHERE , montada en el Very Large Telescope en Chile, en el desierto de Atacama. Tomó ocho fotografías recientes de discos protoplanetarios. El otro, el que utiliza Folett, es el Gemini Planet Imager (GPI), una herramienta competitiva ubicada en otra montaña en Chile.


El disco que rodea a TW Hydra tiene anillos que nos pueden revelar los planetas escondidos allí.

Ambos fueron diseñados para capturar fotones provenientes de planetas que orbitan alrededor de otras estrellas, a diferencia de la mayoría de los otros estudios de exoplanetas que se basan en características indirectas. Ambos producen datos que son más fáciles de interpretar después del entrenamiento en sistemas estelares más antiguos y limpios, con discos ya desaparecidos.

Estas cámaras necesitan la capacidad de separar puntos débiles de luz de estrellas brillantes: es como encontrar una luciérnaga sentada al borde de un foco distante. Utilizan óptica adaptativa , una tecnología que rastrea las fluctuaciones atmosféricas y modifica la óptica según sea necesario para compensar las distorsiones. Esto compensa el efecto del aire agitado de la Tierra, y las estrellas en las imágenes dejan de parpadear, dando una mejor resolución. También usan coronógrafos para cortar la luz proveniente de la estrella.

Además, estas cámaras, en busca de planetas, usan otro truco: la imagen diferencial. Por ejemplo, SPHERE toma simultáneamente dos fotos a través de diferentes filtros polarizados. La luz de las estrellas no tiene polarización, por lo que la estrella en ambas imágenes tiene el mismo aspecto. Se puede restar. Pero cuando la luz se dispersa, se polariza. Esto permite a los astrónomos aislar fotones reflejados desde un disco o planeta.

Luego, los algoritmos buscan los puntos restantes del mundo. Pero en el caso de los planetas en discos, el algoritmo puede confundir grupos y nubes con nuevos mundos.


Los círculos concéntricos que rodean a la joven estrella HD 163296 son probablemente creados por planetas que pesan aproximadamente Saturno, que limpian áreas enteras de gas y polvo.

Folette y sus colegas han pasado los últimos años tratando de analizar estas señales falsas. También estudiaron misteriosos candidatos a planetas, incluidos aquellos que no parecían moverse en órbitas alrededor de su estrella madre de acuerdo con las leyes de movimiento de Kepler , como todos los planetas normales.

Mientras tanto, se abre otro camino hacia los planetas. Aunque SPHERE y GPI no encontraron una confirmación definitiva del mundo emergente, lograron hacer disponibles las fotos más claras de los discos protoplanetarios.

Cuando, finalmente, vimos estos discos en detalle, descubrimos en ellos un zoológico completo de características extrañas que pueden estar asociadas con la formación de planetas. "Esto cambió por completo la imagen", dijo Konstantin Batygin , astrofísico del Instituto de Tecnología de California. "Hubo una revolución".

El problema radica en comparar estas características con los supuestos planetas que las causan. Y esto es bastante difícil. "Estamos hablando de discos como signos de planetas", dijo Folette. "Pero si estos son signos de los planetas, entonces todavía no sabemos cómo interpretarlos".

Cuna espiral

Considere la increíble imagen, descubierta por primera vez en 2012 . En al menos seis discos protoplanetarios, algo tuerce el gas y el polvo en espirales que se asemejan a conchas, o las mangas de las galaxias.


El disco protoplanetario que rodea a la joven estrella del HL Taurus tiene muchos anillos concéntricos. Los astrónomos creen que los planetas en el proceso de formación cortan estructuras complejas en él.

Los astrónomos tienen dos ideas principales para explicar qué crea estos brazos espirales. Ambos se basan en la antigua teoría de las espirales galácticas, que data de hace décadas. Según esta idea, el gas y el polvo giran alrededor de una estrella recién nacida y comienzan a acumularse como un atasco celestial. Pero, sin embargo, algo debería causar un trastorno primario.

Los astrónomos han sugerido que en las estrellas rodeadas de discos pesados, como pesar al menos una cuarta parte de la propia estrella, las secciones gravitacionalmente inestables pueden conducir a la acumulación de material en forma de brazos espirales. Pero los investigadores encontraron muchos discos espirales, cuya masa es mucho menor que este umbral, lo que significa que algún otro mecanismo debería funcionar aquí.

Quizás valga la pena culpar al titiritero oculto. En 2015, un equipo dirigido por Dong, un astrofísico de Arizona, creó simulaciones que mostraban cómo los planetas gigantes, un poco más grandes que Júpiter, podían hacer que aparecieran remolinos en espiral. El planeta estará ubicado directamente en la punta de uno de los brazos, y arrastrará la espiral detrás de sí mismo, moviéndose en órbita. En este caso, cada espiral será una flecha gigante que señala a la víctima, un planeta en proceso de origen.

En 2016, el equipo de Dong encontró evidencia de que estas espirales podrían ser generadas por cuerpos masivos. En este caso, el objeto iniciador de la estrella HD 100453 fue una estrella enana, que es más fácil de notar que el planeta. Y se convirtió en una prueba de la viabilidad de la idea. "Después de eso, la gente comenzó a confiar más en este modelo", dijo Dong.

Encontrar un planeta así en la punta de la manga cerraría esto, pero los astrónomos aún lo esperan. En un artículo reciente publicado en The Astrophysical Journal Letters, un equipo dirigido por Bean Wren , investigador de la Universidad Johns Hopkins, recopiló y analizó datos sobre la espiral MWC 758, que se había recopilado durante más de diez años.


Los brazos espirales que rodean la estrella del MWC 758 podrían ser creados por un planeta gigante ubicado al final de uno de los brazos

El análisis de Wren muestra que durante este tiempo, los rizos podrían girar un poco, aproximadamente 6/10 grados al año. Esta rotación corresponde a un planeta gigante en la punta de una manga que gira cada 600 años, dijo Ren. Pero tal planeta, si existe, todavía se está escondiendo de nosotros.

Por supuesto, incluso si las espirales están conectadas de manera única con los planetas, no nos llevarán a todos los mundos recién nacidos. En las simulaciones, solo los gigantes gaseosos son lo suficientemente potentes como para crear patrones en espiral. Los mundos más pequeños tendrán que ser descubiertos de otras maneras. Además, no todos los discos protoplanetarios tienen espirales.

Por ejemplo, en ninguna de las nuevas fotografías SPHERE, los discos formados alrededor de estrellas similares al sol tienen brazos espirales. Como dijo Henning Avenhaus del Instituto Astronómico Max Planck, esto sugiere que la aparición de espirales es más efectiva alrededor de estrellas más masivas. Pero ellos y muchos otros discos protoplanetarios demuestran algo más, más prometedor: los descansos.

Planetas en las grietas

En el otoño de 2014, los astrónomos que revisaron ALMA, un conjunto de placas de radiotelescopios en los Andes chilenos, decidieron entrenarlo en el disco protoplanetario más masivo que pudieron encontrar. Cuando se mostró la imagen final que muestra lágrimas y anillos gruesos en el sistema HL Taurus, todos se congelaron.

"Y pasamos el resto de la reunión hablando de HL Taurus", dijo Lucas Chiesa , astrónomo de la Universidad Diego Portales. Estudiando las brechas, los científicos reunidos discutieron sobre si fueron creados por planetas. Más tarde, los científicos con ALMA examinaron imágenes de otro sistema cercano, TW Hydra, en el que se podían ver los mismos vacíos incluso con más detalle. Pero ninguno de los sistemas pudo resolver el debate sobre si las rupturas fueron causadas por los planetas en formación o cualquier otra cosa. "Todavía hay debate", dijo Chiesa.


Las 66 antenas del Observatorio ALMA estudian el cielo sobre ellas mientras se encuentran en la meseta de Chinantor en los Andes chilenos.

Al igual que las espirales, los planetas y otros efectos pueden cambiar la forma del gas. Un planeta por miles y millones de años le hará un surco. Cuando se mueve en órbita, atraerá el material del disco hacia sí mismo, así como lo dispersará desde la órbita , dejando un recorte vacío.

Este grabado por gravedad debe ser acumulativo. Para crear una espiral, necesitas más que Júpiter, pero mundos del tamaño de Neptuno, o incluso tan pequeños como la Tierra, pueden crear recortes notables, dijo Jeffrey Fang , astrofísico de la Universidad de California en Berkeley.

"Todos estos planetas tienen el potencial de crear recortes lo suficientemente profundos para que podamos verlos fácilmente con las herramientas de hoy", dijo. Es importante destacar que estos recortes pueden ser nuestra única oportunidad en el futuro cercano para estudiar la formación de pequeños planetas, que serán aún más difíciles de notar en el disco que los mundos del tamaño de Júpiter.

¿Qué puede crear tales secciones, si no planetas? El campo magnético del disco puede crear regiones con turbulencia, acelerando el material de áreas que pueden convertirse en "zonas muertas" magnéticas vacías. O cambios abruptos en la composición química pueden crear una brecha similar al trabajo del planeta. Por ejemplo, la línea de nieve del sistema estelar marca el límite entre el disco interno caliente, donde existe agua en forma de vapor, y el disco externo, donde el agua se congela en gránulos sólidos. Transiciones similares ocurren en otras sustancias, por ejemplo, monóxido de carbono y amoníaco.

Esta confusión obliga a los astrónomos a buscar la clave de una respuesta. "En el mejor de los casos, realmente veremos el planeta separado", dijo Fang. Técnicamente, la tecnología actual no podría ver el planeta en sí, sino un disco de material cayendo sobre él alrededor del planeta. Si tal señal pudiera asociarse con una espiral o una brecha, esto ayudaría a los observadores a comparar mejor nuevos mundos y propiedades de disco entre ellos.

Espera, quizás no mucho. "Las fotografías más interesantes que vi aún no se han publicado", dijo Chiesa, quien se negó a entrar en detalles. "En los próximos meses, podemos esperar que salgan muchas cosas muy interesantes".

Los telescopios de próxima generación también deberían poder ayudar. El telescopio espacial James Webb podrá mirar dentro de los discos en ondas infrarrojas y encontrar directamente los planetas. Su lanzamiento se ha retrasado recientemente nuevamente, esta vez para 2020.


El telescopio extremadamente grande que se está construyendo actualmente en Chile utilizará láseres para crear "estrellas" artificiales en la atmósfera superior, lo que permitirá a los investigadores eliminar el parpadeo del cielo.

El problema de atrapar el proceso de formación de planetas es "un excelente desafío científico" para los telescopios de 30 metros, dijo Bruce McIntosh, de la Universidad de Stanford, que dirige el equipo GPI. Los observatorios de este tamaño, como el telescopio extremadamente grande que se está construyendo actualmente en Chile, podrán observar estructuras aún más pequeñas dentro de los discos protoplanetarios.

Y cuando eso suceda, reconocer la observación de la formación de planetas será un "gran avance", dijo Dong. Lo que fue un cuento matemático sobre el nacimiento de mundos se jugará en tiempo real, en datos reales. "Y todo esto está relacionado con la cuestión fundamental de nuestro propio origen".