No olviden el surco: científicos usan masa estelar para establecer vínculo entre exoplanetas y discos protoplanetarios

A partir de los datos de más de 500 estrellas jóvenes observadas con el Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), los científicos descubrieron un vínculo directo entre las estructuras de los discos protoplanetarios (los discos que rodean a las estrellas y donde se forman planetas nuevos) y las características demográficas de los planetas que allí nacen. El estudio demuestra que las estrellas más masivas son más propensas a estar rodeadas de discos con surcos y que dichos surcos están directamente correlacionados con la presencia de una mayor cantidad de exoplanetas gigantes. Estos resultados proporcionan a los científicos una vista hacia el pasado, que les permite predecir el aspecto de los sistemas exoplanetarios en las distintas etapas de su formación.

“Descubrimos una fuerte correlación entre los surcos de los discos protoplanetarios y la masa estelar, que podría estar vinculada con la presencia de grandes exoplanetas gaseosos”, afirma Nienke van der Marel, del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Victoria (Columbia Británica), quien es titular de una beca Banting y autor principal de la investigación. “Las estrellas más masivas presentan una cantidad relativamente mayor de discos con surcos que las estrellas de menor masa, lo cual coincide con las correlaciones que ya se habían observado en los exoplanetas, puesto que las estrellas más masivas son más propensas a tener exoplanetas gaseosos gigantes. Estas correlaciones son un indicio de que los surcos en los discos protoplanetarios son probablemente causados por planetas gigantes con masas similares o superiores a la de Neptuno”.

Que los surcos en los discos protoplanetarios delatan la presencia de procesos de formación planetaria es una creencia de larga data. Sin embargo, esta teoría ha enfrentado cierto escepticismo debido a la distancia orbital observada entre los exoplanetas y sus estrellas anfitrionas. “Una de las principales razones por las que los científicos han mostrado escepticismo frente al vínculo entre los surcos y los planetas es que los exoplanetas con órbitas amplias, de decenas de unidades astronómicas, son escasos. Sin embargo, los exoplanetas con órbitas más pequeñas, de entre una y diez unidades astronómicas, son mucho más comunes”, explica Gijs Mulders, profesor asistente de astronomía de la Universidad Adolfo Ibáñez, en Santiago de Chile, y coautor de la investigación. “Creemos que los planetas que hacen los surcos se acercan a la estrella posteriormente”.

Se trata del primer estudio que demuestra que el número de discos con surcos en estas regiones está relacionado con el número de exoplanetas gigantes presentes en los sistemas estelares. “De los estudios anteriores se había desprendido que había muchos más discos con surcos que exoplanetas gigantes detectados”, señala Gijs Mulders. “Según nuestro estudio, hay suficientes exoplanetas como para explicar la frecuencia de discos con surcos para las distintas masas estelares observadas”.

Esta correlación también rige los sistemas solares con estrellas de baja masa, donde los científicos tienen más probabilidades de encontrar exoplanetas rocosos, también conocidos como super-Tierras. Nienke van der Marel, quien asumirá el cargo de profesor asistente en la Universidad de Leiden, en Países Bajos, en septiembre de 2021, agrega: “Las estrellas de menor masa tienen más super-Tierras rocosas, a saber, planetas con masas entre la de la Tierra y la de Neptuno. En los discos sin surcos, que son más compactos, se forman estas super-Tierras”.

El vínculo entre la masa estelar y la cantidad y el tamaño de los planetas podría ayudar a los científicos a identificar mejor las estrellas de Vía Láctea que podrían tener planetas rocosos. “Esta nueva forma de entender las correlaciones en las masas estelares ayudará a orientar la búsqueda de pequeños planetas rocosos como la Tierra en nuestro vecindario solar”, señala Gijs Mulders, quien también forma parte del equipo Alien Earths, de la NASA. “Podemos usar la masa estelar para establecer una relación entre los discos protoplanetarios alrededor de estrellas jóvenes y los exoplanetas que orbitan las estrellas maduras. Cuando se detecta un exoplaneta, generalmente ya no queda nada del material a partir del cual se formó. Por eso, la masa estelar es como una etiqueta que nos da información sobre el aspecto anterior del entorno donde se formaron estos exoplanetas”.

Y todo se resume en una palabra: polvo. “La forma en que evoluciona el polvo es un elemento importante en los procesos de formación planetaria”, explica Nienke van der Marel. “Si no hay planetas gigantes, el polvo siempre fluye hacia el interior, y termina generando las condiciones ideales para que se formen planetas rocosos más pequeños y cercanos a la estrella”.

Esta investigación se llevó a cabo a partir de los datos de más de 500 objetos observados anteriormente con las antenas de alta resolución de Banda 6 y Banda 7 de ALMA. Actualmente, ALMA es el único telescopio que puede obtener imágenes de la distribución de granos de polvo milimétricos con una resolución angular suficiente para resolver los discos de polvo y revelar su subestructura –o la ausencia de dicha subestructura–. “Durante los últimos cinco años, ALMA realizó muchos estudios que permitieron obtener imágenes de regiones protoestelares cercanas. De esa forma, se obtuvieron cientos de mediciones de la masa, el tamaño y la morfología del polvo presente en los discos”, señala Nienke van der Marel. “La gran cantidad de propiedades observadas en estos discos nos ha permitido realizar una comparación estadística de los discos protoplanetarios y los miles de exoplanetas descubiertos. Esta es la primera vez que se demuestra la correlación entre la masa estelar de los discos con surcos y los discos compactos usando el telescopio ALMA”.

“Nuestros hallazgos establecen una relación directa entre las hermosas estructuras gaseosas observadas en los discos con ALMA y los miles de exoplanetas detectados por la misión Kepler de la NASA y otras campañas de búsqueda de exoplanetas”, comenta Gijs Mulders. “Los exoplanetas y sus procesos de formación nos ayudan a situar los orígenes de la Tierra y del Sistema Solar en el contexto de los procesos que observamos alrededor de otras estrellas”.

Información Adicional

Los resultados de esta investigación se publicaron como o “A stellar mass dependence of structured disks: a possible link with exoplanet demographics” [Una dependencia masiva estelar de los discos estructurados: un posible vínculo con la demografía de los exoplanetas] por N. van der Marel et al. en the Astrophysical Journal. DOI: 10.3847/1538-3881/ac0255, [https://arxiv.org/pdf/2104.06838.pdf]

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sínica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.