ALMA revela entornos de nacimiento de planetas orgánicos ricos en carbono

Una colaboración internacional de científicos utilizó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para completar el mapeo de composición química más extenso que exista de los discos protoplanetarios alrededor de cinco estrellas jóvenes cercanas en alta resolución. De esta manera, generaron imágenes que capturan la composición molecular asociada a nacimientos planetarios, y una hoja de ruta para futuros estudios sobre la composición de las regiones de formación de planetas y cometas. La nueva investigación revela pistas sobre el rol 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, apropiadamente llamado MAPS (por su sigla en inglés), o Moléculas con ALMA en escalas de formación planetaria, aparecerán en una próxima edición especial de 20 artículos de la serie de suplementos de The Astrophysical Journal.

Los planetas se forman en discos de gas y polvo, también llamados discos protoplanetarios, que rodean a estrellas jóvenes. La composición química de estos discos, o las moléculas contenidas en ellos, pueden tener un impacto en los planetas mismos, incluido cómo y dónde ocurre su formación, su composición química y si tienen la composición orgánica necesaria para sustentar vida. MAPS observó específicamente los discos protoplanetarios que rodean a las jóvenes estrellas IM Lup, GM Aur, AS 209, HD 163296 y MWC 480, donde ya se ha detectado evidencia de formación planetaria en curso. El proyecto condujo a múltiples descubrimientos interesantes, incluido un vínculo entre el polvo y las subestructuras químicas y la presencia de grandes depósitos de moléculas orgánicas en las regiones internas de los discos.

“Con ALMA pudimos ver cómo se distribuyen las moléculas donde los exoplanetas se están actualmente creando”, dijo Karin Öberg, astrónoma del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian (CfA) e investigadora principal de MAPS. “Una de las cosas realmente emocionantes que vimos es que los discos de formación planetaria alrededor de estas cinco estrellas son fábricas de un tipo especial de moléculas orgánicas, los llamados nitrilos, que están implicados en los orígenes de la vida aquí en la Tierra”.

A lo largo del proyecto se observaron moléculas orgánicas simples como HCN, C2H y H2CO con un detalle sin precedentes, gracias a la sensibilidad y el poder de resolución de los receptores de Bandas 3 y 6 de ALMA. “En particular, pudimos observar la cantidad de pequeñas moléculas orgánicas en las regiones internas de los discos, donde los planetas rocosos probablemente se están ensamblando”, dijo Viviana V. Guzmán, astrónoma del Instituto de Astrofísica de la Pontificia Universidad Católica de Chile, autora principal en MAPS VI y co-investigadora principal de MAPS. “Estamos descubriendo que nuestro propio Sistema Solar no es particularmente único, y que otros sistemas planetarios alrededor de otras estrellas también tienen suficientes ingredientes para formar los componentes básicos de la vida”.

Los científicos también observaron moléculas orgánicas más complejas como HC3N, CH3CN y c-C3H2, en particular las que contienen carbono y, por lo tanto, es más probable que actúen como materia prima de moléculas prebióticas más grandes. Aunque estas moléculas se han detectado antes en discos protoplanetarios, MAPS es el primer estudio sistemático en múltiples discos con una resolución y sensibilidad espacial tan alta, y el primer estudio para encontrar las moléculas a escalas pequeñas y en cantidades tan significativas. “Encontramos más moléculas orgánicas grandes de lo esperado, un factor de 10 a 100 más, ubicadas en los discos internos a escalas del Sistema Solar, y su química parece similar a la de los cometas del Sistema Solar”, dijo John Ilee, astrónomo de la Universidad de Leeds y autor principal de MAPS IX. “La presencia de estas grandes moléculas orgánicas es significativa porque son los trampolines entre las moléculas más simples basadas en carbono, como el monóxido de carbono, que se encuentra en abundancia en el espacio, y las moléculas más complejas que se requieren para crear y mantener la vida.”

Sin embargo, las moléculas no se distribuyen uniformemente a través de los discos. Como se evidencia en MAPS III y IV, si bien las composiciones generales de los discos parecen ser similares al Sistema Solar, un acercamiento a alta resolución revela cierta diversidad en la composición que podría resultar en diferencias de planeta a planeta. “El gas molecular en los discos protoplanetarios se encuentra a menudo en conjuntos de anillos y huecos distintos”, dijo Charles Law, astrónomo de CfA y autor principal de MAPS III y IV. “Pero el mismo disco observado en diferentes líneas de emisión molecular a menudo se ve completamente diferente, y cada disco tiene múltiples caras moleculares. Esto también significa que los planetas en diferentes discos o incluso en el mismo disco pero en diferentes ubicaciones pueden formarse en entornos químicos radicalmente diferentes”. Por lo tanto, algunos planetas se forman con las herramientas necesarias para construir y mantener la vida, mientras que otros planetas cercanos pueden no hacerlo.

Uno de esos entornos radicalmente diferentes ocurre en el espacio que rodea planetas similares a Júpiter, donde los científicos encontraron que el gas es pobre en carbono, oxígeno y elementos más pesados, aunque ricos en hidrocarburos, como el metano. “La química que se ve en los discos protoplanetarios debería heredarse mediante la formación de planetas”, dijo Arthur Bosman, astrónomo de la Universidad de Michigan y autor principal de MAPS VII. “Nuestros hallazgos sugieren que muchos gigantes gaseosos pueden formarse con atmósferas extremadamente pobres en oxígeno (ricas en carbono), desafiando las expectativas actuales de la composición de los planetas”.

En resumen, MAPS proporciona exactamente 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. “La composición de un planeta es un registro de la ubicación en el disco en el que se formó”, agregó Bosman. “Conectar la composición del planeta y el disco nos permite mirar su historia y nos ayuda a comprender las fuerzas que lo formaron”.

Joe Pesce, astrónomo y oficial del programa ALMA en la Fundación Nacional de Ciencia de EE.UU.(NSF), señala que “La existencia de vida más allá de la Tierra es una de las preguntas fundamentales de la humanidad. Ahora sabemos que los planetas se encuentran en todas partes, y el siguiente paso es determinar si tienen las condiciones necesarias para la vida tal como la conocemos (y cuán común podría ser esa situación). El programa MAPS nos ayudará a responder mejor a estas preguntas. La búsqueda de ALMA de precursores de vida lejos de la Tierra complementa los estudios realizados en laboratorios y en lugares como respiraderos hidrotermales en la Tierra.”

Öberg agregó: “MAPS es la culminación de décadas de trabajo sobre la química de los discos formadores de planetas por parte de científicos que utilizan ALMA y sus precursores. Aunque MAPS ha examinado solo cinco discos en este momento, no teníamos idea de cuán químicamente complejos y visualmente deslumbrantes eran estos discos hasta ahora. MAPS ha respondido por primera vez preguntas que no podríamos haber imaginado hacer décadas atrás, y también nos ha presentado muchas más preguntas que responder”.

Información adicional

Los artículos destacados de esta investigación son:

  • “Moléculas con ALMA a escalas de formación de planetas (MAPS) I: Descripción general y aspectos destacados del programa”, K. Öberg et al, ApJS, vista previa https://arxiv.org/pdf/2109.06268.pdf
  • “Moléculas con ALMA a escalas de formación de planetas (MAPS) III: Características de las subestructuras químicas radiales”, C. Law et al, ApJS, vista previa https://arxiv.org/pdf/2109.06210.pdf
  • “Moléculas con ALMA a escalas de formación de planetas (MAPS). IV: Superficies de emisión y distribución vertical de moléculas”, C. Law, ApJS, vista previa https://arxiv.org/pdf/2109.06217.pdf
  • “Moléculas con ALMA a escalas de formación de planetas (MAPS) VI: Distribución de los pequeños orgánicos HCN, C2H y H2CO”, V. Guzmán et al, ApJS, vista previa  https://arxiv.org/pdf/2109.06391.pdf
  • “Moléculas con ALMA en escalas de formación de planetas (MAPS) VII: O / H y C / H subestelar y C / O superestelar en gas que se alimenta de planetas”, A. Bosman et al, ApJS, vista previa https://arxiv.org/pdf/2109.06221.pdf
  • “Moléculas con ALMA a escalas de formación de planetas (MAPS) IX: Distribución y propiedades de las moléculas orgánicas grandes HC3N, CH3CN y c-C3H2 “, J. Ilee et al, ApJS, vista previa https://arxiv.org/pdf/2109.06319.pdf