6 de junio de 2013

ALMA y el anacardo cósmico

Los geólogos planetarios tienen teorías bastante sólidas en cuanto a la formación de cuerpos rocosos en sistemas planetarios basadas en lo que se conoce como acreción de planetesimales, esto es, las partículas chocan entre sí y van aumentando su tamaño. Pero nunca se había observado una estrella joven con un disco a su alrededor en la que estas partículas de polvo pudieran crecer por este método.

La acreción

Se ha simulado informáticamente una nube de gas y polvo para ver como estos granos crecen y se puede apreciar que los granos chocan entre sí quedando unidos. Pero cuando estos granos han adquirido cierto tamaño y chocan a grandes velocidades con otros de un tamaño similar, suelen romperse en pedazos.

Incluso cuando no llegan a romperse, las simulaciones muestran que los de mayor tamaño se mueven hacia el interior del disco precipitándose hacia la estrella y perdiendo cualquier oportunidad de seguir creciendo.

Por lo tanto, para que se formen cuerpos de tamaño planetario debe exisitr algún método por el que el polvo "se refugie" y los planetesimales puedan seguir creciendo hasta ser lo suficientemente masivos como para sobrevivir por sí solos sin temor a sufrir una colisión que los desintegre. Los científicos habían propuesto la existencia de métodos para "refugiar" los granos de polvo, pero hasta ahora no había pruebas observacionales.

La trampa de polvo

Parece ser que un grupo de astrónomos usando los telescopios de ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ha encontrado el método que hace que los cuerpos rocosos de mayor tamaño que se han formado puedan sobrevivir sin desintegrarse, esto es, han observado por primera vez la tan buscada trampa de polvo.

Algunas de las antenas de ALMA en la llanura de Chajnantor (Desierto de Atacama, Chile). En la imagen también puede apreciarse la Gran Nube de Magallanes y la Pequeña Nube de Magallanes, dos galaxias compañeras de la Vía Láctea. Créditos: ESO/C. Malin.

La han observado en una estrella joven todavía inmersa en la nube de gas y polvo que la formó. Y se ha observado con mucha claridad, solucionando así cómo las partículas de polvo aumentan su tamaño para finalmente formar cuerpos rocosos como planetas, asteroides o cometas.

El origen de esta trampa de polvo es un vórtice en el gas del disco. Según se ha estimado, suelen tener períodos de vida de cientos de miles de años. Además, cuando la trampa deja de actuar, el polvo tarda millones de años en dispersarse dejando tiempo extra a los granos de polvo para que sigan creciendo.

El anacardo cósmico

Nienke van der Marel (Universidad de Leiden, Holanda) es una estudiante de doctorado autora de la investigación. Ella y sus colaboradores usaron ALMA para estudiar el disco de polvo que rodeaba a una estrella en el sistema Oph-IRS 48, situado a unos 400 años luz en la constelación de Ofiuco.

Con el VLT (Very Large Telescope) se intuía que la estrella estaba circundada por un hueco, tal vez provocado por la atracción gravitatoria de un planeta ya formado que ha ido barriendo de polvo su órbita, pero la visión que ha ofrecido ALMA ha sido muy distinta. Van der Marel afirma que "la forma del polvo en la imagen fue una completa sorpresa (...) En lugar del anillo que esperábamos ver, ¡descubrimos algo que claramente tenía forma de anacardo!"

Esta imagen obtenida por ALMA muestra la trampa de polvo en el disco con forma de anacardo que rodea al sistema Oph-IRS 48. La gran asimetría de la emisión de polvo entre las partes norte y sur del disco (de al menos un factor 130) indica la presencia de esta trampa de polvo, que proporciona un refugio para las pequeñas partículas del disco, permitiendo que se agrupen y crezcan hasta alcanzar tamaños que les permitan sobrevivir por sí solas. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Nienke van der Marel.

Ante la sorpresa por la "desaparición" del anillo, los científicos tuvieron que convencerse de que aquello era real, pero la nítida señal que ofrecía ALMA no dejaba lugar a dudas. "Entonces nos dimos cuenta de lo que habíamos descubierto", añadió.

Estas trampas se forman cuando las partículas de polvo de mayor tamaño se mueven hacia las zonas de mayor presión. En las simulaciones, se aprecia como estas regiones de alta presión se pueden formar por movimientos de gases situados en los extremos de un agujero de gas, similar al que se ha detectado con ALMA.

Región Oph-IRS 48 donde la región verde (ALMA) señala la zona de la trampa de polvo en la que se encuentran las partículas de mayor tamaño (milimétricas). El anillo anaranjado (VLT) muestra observaciones de partículas de polvo mucho más finas (micrométricas). En la esquina superior izquierda se muestra el tamaño de la órbita de Neptuno para estimar la escala. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Nienke van der Marel.

Factoría de cometas

"Es probable que estemos observando una especie de factoría de cometas, ya que las condiciones son las adecuadas para que las partículas crezcan desde un tamaño milimétrico hasta un tamaño cometario", explicó van der Marel. Según los resultados, es poco probable que el polvo forme planetas a esas distancias de la estrella.

Impresión artística de la trampa de polvo en el sistema Oph-IRS 48. Créditos: ESO/L. Calçada

Habrá que esperar al pleno funcionamiento de ALMA para observar estas trampas de polvo más cercanas a su estrella anfitriona, y en lugar de hablar de cuna de cometas, poder hablar de cuna de planetas.

A medio gas

En la investigación se usaron los receptores de ALMA que trabajan con longitudes de onda comprendidas entre 0.4mm y 0.5mm que es el modo en el que se obtienen las imágenes más nítidas.

Cabe destacar que las observaciones de esta investigación se realizaron cuando el conjunto de telescopios de ALMA todavía estaba en construcción. “Estas observaciones demuestran que ALMA es capaz de proporcionar ciencia revolucionaria, incluso con menos de la mitad de las antenas en uso”, afirma Ewine van Dishoeck, del Observatorio de Leiden, uno de los principales colaboradores del proyecto ALMA durante más de 20 años.

Con este hallazgo, se ha demostrado que existen regiones en la que los granos de polvo de mayor tamaño son atrapados y pueden seguir creciendo en esta trampa de polvo tantas veces teorizada. Ahora, la teoría se ha convertido en realidad.
NOTA: Este trabajo se presenta en el artículo “A major asymmetric dust trap in a transition disk“, por van der Marel et al, que aparece en la revista Science el 7 de junio de 2013.

El equipo está compuesto por Nienke van der Marel (Observatorio de Leiden, Países Bajos), Ewine F. van Dishoeck (Observatorio de Leiden; Instituto Max-Planck de Física Extretarrestre, Garching, Alemania [MPE]), Simon Bruderer (MPE), Til Birnstiel (Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, Cambridge, EE.UU. [CfA]), Paola Pinilla (Universidad de Heidelberg, Alemania), Cornelis P. Dullemond (Universidad de Heidelberg), Tim A. van Kempen (Observatorio de Leiden; Oficinas de ALMA, Santiago, Chile), Markus Schmalzl (Observatorio de Leiden), Joanna M. Brown (CfA), Gregory J. Herczeg (Instituto Kavli de Astronomía y Astrofísica, Universidad de Peking, Beijing, China), Geoffrey S. Mathews (Observatorio de Leiden) y Vincent Geers (Instituto de Estudios Avanzados de Dublín, Irlanda).
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