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Fuego y Hielo: ALMA nos muestra por primera vez la línea de nieve de agua en torno a una joven estrella en erupción

julio 13, 2016

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Nuevas observaciones realizadas con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) permitieron generar la primera imagen de una línea de nieve compuesta de agua dentro de un disco protoplanetario. Se trata de la línea donde la temperatura del disco que rodea una joven estrella cae lo suficientemente como para que el agua allí presente se congele. En este caso, un aumento drástico en la luminosidad de la joven estrella V883 Orionis produjo un recalentamiento de la zona interna del disco y, de esa forma, alejó la línea de nieve a una distancia mucho mayor de lo normal para una protoestrella, permitiendo observarla por primera vez. Los resultados de este estudio se publicarán en la revista Nature el 14 de julio de 2016.

Investigación

Como no-pocas-veces sucede en ciencia, el último gran descubrimiento de uno de nuestros astrónomos se generó de manera inesperada, mientras se buscaba algo completamente distinto.

Lucas Cieza, Director del Núcleo de Astronomía UDP, fue advertido sobre una estrella cuyo brillo había aumentado muy notoriamente en una zona de formación estelar de la constelación de Orion por José Prieto, astrónomo UDP que trabaja con supernovas, cuya técnica de búsqueda lo lleva a encontrar fenómenos que no siempre tienen que ver con estrellas muriendo. En este caso se trataba de una naciendo – el tema de investigación de Lucas Cieza – y este último decidió investigar este objeto, cuyo aumento abrupto de brillo era debido a un proceso conocido como «FU Ori outburst«, junto a otros en la misma situación. La idea era probar una nueva teoría sobre la fragmentación del disco protoplanetario en grandes pedazos, lo que explicaría la formación de los gigantes gaseosos.

En menos de 24 horas prepararon una propuesta para obtener tiempo de observación en ALMA, en conjunto con varios colaboradores alrededor del mundo, pertenecientes al Núcleo Milenio de Discos Protoplanetarios (MAD), y el Observatorio ALMA, entre otros. Felizmente fue aceptada, y de entre los objetos observados, eligieron el más brillante, para estudiarlo con mayor resolución en el mismo observatorio al año siguiente.

Lo que obtuvieron fue algo completamente inesperado y diferente a la hipótesis inicial. Según Cieza:

“Las observaciones de ALMA fueron una sorpresa para nosotros. El objetivo de nuestras observaciones era buscar fenómenos de fragmentación de discos que condujeran a la formación de planetas, pero no hubo nada de eso. En cambio, vimos algo que parecía un anillo a una distancia de 40 ua»

Resultados

Las estrellas jóvenes suelen estar rodeadas de densos discos giratorios de polvo y gas conocidos como discos protoplanetarios, donde se forman los planetas. En esta investigación se observó por primera vez la llamada “línea de nieve de agua” en el disco protoplanetario, que es el límite que marca la distancia a la estrella desde donde el agua se encuentra en forma de nieve.

160714eso1626a — Representación artística de la línea de nieve alrededor de la joven estrella V883 Orionis según las observaciones de ALMA. Créditos: A. Angelich (NRAO/UAI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).

Este límite separa la zona dentro de la cual los planetas que se forman son pequeños y rocosos (terrestres), de la zona donde estos son gigantes y gaseosos, ya que la nieve ayuda a que se cohesione el material y se formen bolas de nieve muy masivas que logran retener grandes cantidades de gas por su atracción gravitacional, formando finalmente planetas gaseosos.

Planetas_del_Sistema_Solar_a_escala. — Ubicación de la línea de nieve en el Sistema Solar

En este caso en particular, la estrella V883 Orionis está pasando por un proceso conocido como “FU Ori outburst” donde la caída abrupta de gran cantidad de material desde el disco protoplanetario a la estrella produce un aumento enorme y repentino de brillo en la estrella, como una erupción, que dura algunos años y genera mucho calor extra. Esto hizo que la línea de nieve se alejase considerablemente de la estrella (10 – 15 veces más de lo normal) formando una circunferencia de 40 unidades astronómicas (UA: distancia del Sol a la Tierra), y de esta manera pudiese ser visible con el radiotelescopio de ALMA.

160714eso1626d — Esta ilustración muestra cómo la erupción de la joven estrella V883 Orionis ha alejado la línea de nieve de la estrella y, de esa forma, permitido que sea detectable por ALMA. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Cieza.

Lo que vemos es el disco dividido por un anillo oscuro, donde cambia notoriamente el nivel de opacidad de este. Se comprobó que el anillo observado coincide con la ubicación esperada de la línea de hielo, donde el disco alcanza la temperatura de sublimación del agua.

160714eso1626e — Esta imagen del disco protoplanetario alrededor de la joven estrella V883 Orionis fue obtenida con ALMA en una configuración de línea de base larga. Esta estrella se encuentra en proceso de erupción, fenómeno que alejó la línea de nieve de la estrella y permitió detectarla por primera vez. El oscuro anillo en medio del disco es la línea de nieve, la zona donde la temperatura y la presión caen lo suficientemente como para permitir la formación de hielo. Las líneas representan respectivamente las distancias referenciales entre el Sol y Neptuno y el planeta enano Plutón. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Cieza.

Esto nos indica que este cambio de temperatura tiene gran influencia en la composición del disco protoplanetario. La parte interior del disco contiene mayormente polvo y rocas secas que tienden a pulverizarse más cada vez que chocan, con lo que van aumentando la opacidad del disco, incluso para las largas longitudes de onda de 1,3 mm detectadas por ALMA. Por otro lado, más allá de la línea de nieve encontramos polvo mezclado con nieve, lo que facilita que estos pedazos se adhieran cada vez que colisionen, y el disco se hace traslúcido rápidamente a medida que nos alejamos de la estrella. Este comportamiento del disco había sido predicho por recientes modelos numéricos.

Importancia

La identificación directa de la línea de nieve con el cambio de opacidad en el disco protoplanetario confirma la predicción de que este cambio de temperatura afecta de manera importante la composición del disco, y la de los futuros planetas en cada zona.

Por otro lado, que la línea de nieve se mueva dentro del disco protoplanetario es algo completamente inesperado y podría tener un alto impacto en la constitución de los planetas que se estén formando, como afectar la posibilidad de que los planetas terrestres más cercanos a la estrella adquieran agua: Se piensa que el agua que contiene la Tierra provino de cometas y meteoritos originarios de la zona exterior a la línea de nieve, que cayeron a nuestro planeta durante la formación del Sistema Solar. Si este fenómeno de desplazamiento de la línea de nieve resultase ser algo común, sería mucho menos probable que estos cometas caigan sobre los planetas rocosos, y por lo tanto menos usual encontrar agua líquida en planetas extrasolares.

Simón Casassus (MAD), Lucas Cieza (UDP) y Antonio Hales (ALMA) en la conferencia de prensa anunciando los resultados

Este último resultado puede significar que se tengan que hacer cambios importantes en los modelos de formación planetaria. A partir de este nuevo descubrimiento, podrán surgir muchas nuevas investigaciones que nos permitan entender cada vez mejor cómo se formó nuestro propio planeta, y bajo qué condiciones se podría formar otro parecido, entre muchas otras interrogantes.

«Esto ilustra a la perfección la capacidad revolucionaria de ALMA, que proporciona resultados extraordinarios aun cuando no son los que se esperan”.

Lucas Cieza.