Un nuevo estudio de ALMA revela las muchas caras moleculares de los discos protoplanetarios

Un grupo internacional de científicos, incluidos astrónomos de la Universidad de Michigan, mapeó la composición química de los discos protoplanetarios alrededor de cinco estrellas jóvenes cercanas, un esfuerzo que permitirá a los astrónomos buscar en los discos la formación de planetas en tiempo real.

La investigación proporciona las imágenes más detalladas de los gases formadores de planetas hasta la fecha, que ayudarán a los científicos a comprender cómo se forman los planetas, desde gigantes gaseosos llamados Júpiter calientes hasta nuestro propio planeta sustentador de vida.

“El objetivo de este programa era investigar la química de la formación del planeta con la mayor resolución posible en un período de tiempo limitado: solo 130 horas. Queríamos saber cómo nacen los planetas y qué define su composición al nacer «, dijo. Edwin Bergin, Catedrático de Astronomía de la UM, co-investigador principal de la investigación y coautor de los artículos.

«Esto se puede comparar con la composición de las atmósferas y planetas de exoplanetas en el sistema solar para comprender cómo los Júpiter son mundos comunes y eventualmente de vida como la Tierra».

La colaboración utilizó el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, o ALMA, para completar el mapeo más extenso de la composición química de los discos protoplanetarios en alta resolución que permite a los científicos sondear la composición de sus regiones de formación de planetas y cometas.

En la foto se muestra un collage que muestra aproximadamente el 50% de los datos completos de la colaboración MAPS. Crédito de la imagen: Charles Law, Moléculas con ALMA en escalas de formación de planetas.

El nuevo estudio abre pistas sobre el papel de las moléculas en la formación del sistema planetario y si estos jóvenes sistemas planetarios en formación tienen lo que se necesita para albergar vida. Los resultados del programa, llamado MAPS, o moléculas de ALMA en escalas de formación de planetas, aparecerán en el próximo número especial de 20 artículos de La serie de suplementos de revistas astrofísicas.

Los planetas se forman en discos de polvo y gas, llamados discos protoplanetarios, alrededor de estrellas jóvenes. La composición química de estos discos puede tener un impacto en los planetas mismos, incluido cómo y dónde se produce la formación planetaria, la composición química de los planetas y si esos planetas tienen la composición orgánica necesaria para sustentar la vida.

«La composición de un planeta es un registro de la ubicación en el disco en el que se formó», dijo el astrónomo de la UM. Arthur Bosman, autor principal de muchos de los estudios. «Conectar el planeta y la composición del disco nos permite examinar la historia de un planeta y nos ayuda a comprender las fuerzas que lo formaron».

Esta imagen compuesta de datos de ALMA de la joven estrella HD 163296 muestra la emisión de cianuro de hidrógeno colocado sobre un campo estelar. El proyecto MAPS se centró en el cianuro de hidrógeno y otros compuestos orgánicos e inorgánicos en los discos de formación de planetas para comprender mejor las composiciones de los planetas jóvenes y cómo las composiciones se unen al lugar donde se forman los planetas en un disco protoplanetario. Crédito de la imagen: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / D. Berry (NRAO), K. Öberg et al (MAPS)

MAPS observó específicamente los discos protoplanetarios alrededor de las estrellas jóvenes IM Lup, GM Aur, AS 209, HD 163296 y MW480, donde ya se ha detectado evidencia de formación planetaria en curso. El proyecto condujo a varios descubrimientos, incluido un vínculo entre el polvo y las subestructuras químicas y la presencia de grandes depósitos de moléculas orgánicas en las regiones del disco interno de las estrellas.

“Con ALMA, pudimos ver cómo se distribuyen las moléculas donde los exoplanetas se están reuniendo actualmente, y lo que hemos visto es que la mayoría de los planetas probablemente se forman en un entorno químico que se parece mucho a la nebulosa solar, el lugar donde nace nuestra energía solar. sistema». dijo la investigadora principal de MAPS, Karin Öberg, astrónoma del Centro Smithsonian de Astrofísica de Harvard.

«Más importante aún, vimos que los discos de formación de planetas alrededor de estas cinco estrellas jóvenes son fábricas de una clase especial de moléculas orgánicas, llamadas nitrilos, que están implicadas en los orígenes de la vida aquí en la Tierra».

Bosman dirigió Mapas VII, que examinó la composición elemental del gas en ubicaciones en tres de los cinco discos apuntados por MAPS, donde se pueden estar formando planetas similares a Júpter. En su estudio, Bosman y sus coautores encontraron que el gas alrededor de estos planetas potencialmente nacientes es pobre en carbono, oxígeno y elementos más pesados, mientras que es rico en hidrocarburos como el metano.

Representación artística. Crédito de la imagen: M.Weiss / Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian

«La química que se ve en los discos protoplanetarios debe ser heredada por la formación de planetas», dijo Bosman. “Un ambiente pobre en carbono y oxígeno sugiere la existencia de un subconjunto de planetas gigantes con baja abundancia de agua en general. Esto es lo opuesto a los estudios actuales sobre la composición de planetas, y estamos encontrando que los bloques de construcción de muchos planetas gigantes son muy diferentes de lo que creemos que formaron los gigantes de nuestro propio sistema solar, Júpiter y Saturno. «

Bosman y Bergin llevaron las técnicas de ALMA al límite para observar velocidades de gas muy cerca de una estrella de disco, dentro de tres unidades astronómicas; una unidad astronómica es la distancia entre la Tierra y el sol. El gas gira a mayor velocidad cuanto más cerca está de la estrella, y basándose en estas velocidades, Bosman y Bergin pudieron observar un objeto que parece estar a punto de formar un planeta. Estos resultados se publican en el estudio MAPS XV.

«Esto nos permite buscar firmas de estos planetas en formación escondidos en la estructura del gas, una especie de tarjeta de visita para el planeta: ‘Estoy aquí'», dijo Bergin.

Los becarios postdoctorales de la UM y los estudiantes de posgrado también dirigieron los artículos publicados en la serie de suplementos. En MAPS XIX, postdoctoral Jane Huang y los coautores mostraron que un disco (GM Aur) todavía está agregando material de su nube madre mientras da forma activamente a los planetas, proporcionando un nuevo suministro de material para estos mundos jóvenes.

En MAPS XVII, estudiante de posgrado Jenny Calahan y los coautores midieron la temperatura del gas y su estructura utilizando modelos sofisticados alrededor de HD 163296. En MAPS VIII, estudiante de posgrado Felipe Alarcón y los coautores exploraron cómo la composición química observada llega a ser con un modelo químico detallado del disco formador de planetas AS209.

Juntos, MAPS está proporcionando precisamente eso: un mapa para que los científicos lo sigan, conectando los puntos entre el gas y el polvo en un disco protoplanetario y los planetas que eventualmente se forman a partir de ellos para crear un sistema planetario.

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