Escondidas en una región de formación estelar en la constelación de Tauro, un par de estrellas en órbita muestran algunas diferencias inesperadas en los discos circunestelares de polvo y gas que las rodean. Un nuevo estudio dirigido por un equipo del Observatorio Lowell, que combina datos del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y del Observatorio Keck, ha develado intrigantes hallazgos sobre la formación de planetas en este sistema estelar binario, conocido como DF Tau, junto con otros sistemas de esta región.
DF Tau está formado por dos estrellas jóvenes con masas casi iguales, que orbitan una alrededor de la otra completando un ciclo cada 48 años. Dado que ambas estrellas probablemente se formaron juntas, con la misma composición y en el mismo entorno, las y los astrónomos esperarían que compartieran otras cosas en común, como tener discos circunestelares similares. Pero no es así: mientras que la estrella primaria, más brillante, tiene un disco interno activo, el disco interno de la estrella secundaria parece haber desaparecido casi por completo. Estas diferencias inesperadas ponen en tela de juicio las teorías actuales sobre la evolución de los discos y la formación de planetas.
Al igual que el torno de alfarería se utiliza para dar forma a la arcilla, el disco circunestelar proporciona los materiales y el entorno necesarios para la formación de planetas. Con el tiempo, el polvo y el gas del disco se aglutinan y acaban formando planetas, lunas y otros cuerpos celestes. Los discos no duran para siempre: a medida que una estrella madura y se forman planetas, el disco desaparece gradualmente. Entonces, ¿qué causó la inusual disipación observada en el disco circunestelar de la estrella secundaria?
Las imágenes de alta resolución de ALMA, combinadas con datos ópticos e infrarrojos de otros telescopios, permitieron al equipo investigador estudiar, analizar y comparar las propiedades de las estrellas y de sus discos individuales. Esta binaria tiene una órbita relativamente pequeña y estrecha, lo que significa que la gravedad trunca las partes exteriores del disco, pero es poco probable que la órbita binaria actual pueda alterar el disco interior. En su lugar, es posible que intervengan otros procesos.
«La dispersión de los discos circunestelares es un proceso complicado con muchas incógnitas. Al observar los sistemas que se forman juntos, podemos controlar una variable importante: el tiempo». DF Tau y otros sistemas de nuestro estudio nos indican que la evolución de los discos no depende estrictamente del tiempo, sino que intervienen otros procesos», explica Taylor Kutra, del Observatorio Lowell y autora principal de esta investigación.
Los sistemas binarios como DF Tau, y otras fuentes de este sondeo de ALMA, ofrecen un laboratorio natural para estudiar cómo evolucionan los discos circunestelares. Comprender estos procesos es esencial para refinar los modelos de formación planetaria, ya que la evolución del disco determina la escala de tiempo en la que se produce la formación de planetas. Esta investigación destaca la diversidad de comportamientos de los discos y subraya la necesidad de nuevos estudios para desentrañar los factores que influyen en su vida útil y sus estructuras. Estos hallazgos no sólo profundizan nuestra comprensión de los sistemas estelares binarios, sino que también arrojan luz sobre los mecanismos más amplios que dan forma a los sistemas planetarios en toda la galaxia.
Discos circunestelares en sistemas estelares múltiples jóvenes, descubiertos por ALMA. Las orbitas conocidas se señalan con líneas blancas. AUI NRAO Chile
Información adicional
Los resultados de las observaciones se encuentran publicados en el siguiente artículo científico:
El comunicado de prensa original fue publicado por el Observatorio Radio Astronómico Nacional (NRAO) de los Estados Unidos.
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 miembro, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán (NSTC), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (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 miembro; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities (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.
El Observatorio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), uno de los telescopios más grandes y sensibles de su tipo en el mundo, recibió la visita del Secretario General de las Naciones Unidas (ONU), António Guterres, quien tuvo la oportunidad de conocer cómo los sistemas de alta tecnología capturan y combinan señales provenientes del cosmos. ALMA representa una asociación entre Europa (Observatorio Europeo Austral), América del Norte (Observatorio Nacional de Radioastronomía) y Asia (Observatorio Astronómico Nacional de Japón), junto con la República de Chile. Estas naciones trabajaron juntas para crear un instrumento científico que ninguna de ellas podría construir por sí sola.
ALMA recibió la visita del Secretario General de las Naciones Unidas António Guterres, quien exploró el sitio donde se encuentra el arreglo de antenas en el Desierto de Atacama Chileno. El grupo de mantención de antenas, un equipo que es clave para las operaciones del observatorio, posa para una fotografía junto a Guterres. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), R. Bennett.
Chile ha sido llamado un paraíso astronómico y es por eso que ALMA se construyó en el llano de Chajnantor en el desierto de Atacama, uno de los lugares más altos y secos del planeta. Esta ubicación permite una clara vista del cielo del hemisferio sur, mientras que las condiciones atmosféricas en el llano son ideales para las observaciones milimétricas y submilimétricas que realiza ALMA.
En los laboratorios del observatorio, Octavio Hernández, Coordinador de operaciones y planificación de mantenimiento, explica cómo operan los receptores de las antenas al Secretario General de las Naciones Unidas. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), R. Bennett.
«NRAO se enorgullece de ser parte de ALMA, con el apoyo y la supervisión de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y Associated Universities, Inc. Las Naciones Unidas y ALMA tienen mucho en común: ambos son el resultado de la colaboración internacional con la esperanza de compartir conocimientos y recursos que benefician a toda la humanidad. Nos sentimos honrados de esta visita del Secretario General Guterres, donde pudimos mostrar cómo la asociación ALMA refleja los objetivos y esfuerzos de la ONU», afirmó Paulina Bocaz, Representante de AUI y Subdirectora de NRAO para Chile.
El Secretario General Guterres (cuarto desde la izquierda) fue acompañado por representantes de los socios y por personal de ALMA. De izquierda a derecha: Iván López (Departamento de Seguridad de ALMA), Luis Chavarría (Observatorio Europeo Austral – ESO), Sean Dougherty (Director de ALMA), Paulina Bocaz (Observatorio Nacional de Radioastronómico de los Estados Unidos – NRAO) y Tetsuhiro Midamidami (Observatorio Astronómico Nacional de Japón – NAOJ). Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), R. Bennett.
Sobre NRAO y ALMA
NRAO es una instalación de la Fundación Nacional de Ciencia de los Estados Unidos, operado bajo acuerdo cooperativo por Associated Universities Inc.
ALMA, 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. 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.
Un equipo científico observó con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array(ALMA) el centro de una galaxia relativamente cercana conocida como NGC 253, que produce estrellas a un ritmo muy alto. Tras más de 300 horas de observación, hallaron más de cien especies moleculares, muchas más de las que han detectado estudios previos fuera de la Vía Láctea. La alta sensibilidad de ALMA identificó con éxito moléculas que representan varias etapas de la evolución estelar en la región central de NGC 253, y la alta resolución angular de ALMA deterinó las ubicaciones donde tienen lugar estas etapas. Esta gran cantidad de datos ha permitido comprender mejor la física y la química de este tipo de galaxias. El aumento de la sensibilidad de banda ancha como parte de la hoja de ruta de desarrollo de ALMA 2030 hará que las observaciones de banda ancha de frecuencias como las de este estudio sean mucho más eficientes. Esperamos que la comprensión del mecanismo del brote estelar avance mediante la observación simultánea de más moléculas trazadoras.
En el Universo, algunas galaxias forman estrellas mucho más rápido que nuestra galaxia, la Vía Láctea. A estas se les llama ‘galaxias con brote estelar’. Los fenómenos de brote estelar no duran para siempre. Sigue siendo un misterio cómo puede ocurrir exactamente una formación de estrellas tan prolífica y cómo termina. La posibilidad de que se formen estrellas depende de las propiedades de la materia prima de la que nacen, como el gas molecular, un material gaseoso compuesto por varias moléculas. Por ejemplo, las estrellas se forman en regiones densas dentro de nubes moleculares donde la gravedad puede actuar de manera más efectiva. Algún tiempo después de la formación activa de estrellas, las estrellas existentes y las explosiones de estrellas muertas transfieren energía al medio circundante, lo que podría obstaculizar la formación estelar futura. Estos procesos físicos impactan la química de la galaxia e imprimen una firma en la intensidad de las señales de las moléculas. Debido a que cada molécula emite a frecuencias específicas, las observaciones en un amplio rango de frecuencia nos permiten analizar las propiedades físicas y brindarnos información sobre el mecanismo de los brotes estelares.
El equipo científico a cargo de este estudio ha adquirido una nueva comprensión de los fenómenos relacionados con el nacimiento de estrellas en una galaxia con brote estelar. Utilizando ALMA, detectaron más de cien especies moleculares en el centro de NGC 253, una galaxia con brote estelar situada a unos 10 millones de años luz de distancia. Esta materia prima química es la más rica que se encuentra fuera de la Vía Láctea e incluye moléculas que se han detectado por primera vez , como el etanol y la especie PN que contiene fósforo. Este estudio se llevó a cabo como un gran programa denominado ALMA Comprehensive High-solving Extragalactic Molecular Inventory (ALCHEMI), dirigido por Sergio Martín del Observatorio Europeo Austral/Observatorio Conjunto ALMA, Nanase Harada del Observatorio Astronómico Nacional de Japón y Jeff Mangum del Observatorio Nacional de Radioastronomía de Estados Unidos.
En primer lugar, este estudio encontró que el gas molecular de alta densidad probablemente promoverá la formación activa de estrellas en esta galaxia. Cada molécula emite en múltiples frecuencias y la intensidad de su señal relativa y absoluta cambia según la densidad y la temperatura. Al analizar numerosas señales de algunas especies moleculares, la cantidad de gas denso en el centro de NGC 253 resultó ser más de diez veces mayor que la del centro de la Vía Láctea, lo que podría explicar por qué NGC 253 está formando estrellas unas 30 veces más eficientemente incluso con la misma cantidad de gas molecular.
Uno de los mecanismos que podría ayudar a la fusión de nubes moleculares en otras más densas es una colisión entre ellas. En el centro de NGC 253 es probable que se produzcan colisiones de nubes donde se cruzan corrientes de gas y estrellas, generando ondas de choque que viajan a velocidades supersónicas. Estas ondas de choque evaporan moléculas como el metanol y el HNCO, congelándose en partículas de polvo heladas. Cuando las moléculas se evaporan en forma de gas, se vuelven observables mediante radiotelescopios como ALMA.
Ciertas moléculas también rastrean la formación estelar en curso. Se sabe que alrededor de las estrellas jóvenes abundan las moléculas orgánicas complejas. En NGC 253, este estudio sugiere que la formación estelar activa crea un ambiente cálido y denso similar a los que se observan alrededor de estrellas jóvenes individuales (protoestrellas) en la Vía Láctea. La cantidad de moléculas orgánicas complejas en el centro de NGC 253 es similar a la que hay alrededor de las protoestrellas de la galaxia.
Además de las condiciones físicas que podrían promover la formación de estrellas, el estudio también reveló el duro entorno dejado por generaciones anteriores de estrellas, que podría ralentizar la futura formación de estrellas. Cuando las estrellas masivas mueren, provocan explosiones masivas conocidas como supernovas, que emiten partículas energéticas llamadas rayos cósmicos. La composición molecular de NGC 253 reveló a partir de la mejora de especies como H3O+ y HOC+ que los rayos cósmicos han arrancado algunos de sus electrones a las moléculas de esta región a un ritmo al menos 1000 veces mayor que cerca del Sistema Solar. Esto sugiere un considerable aporte de energía procedente de las supernovas, lo que dificulta que el gas se condense para formar estrellas.
Los rayos cósmicos han arrancado algunos de sus electrones a las galaxias de esta región a un ritmo al menos 1.000 veces mayor que el de las zonas cercanas al Sistema Solar. Esto sugiere un considerable aporte de energía procedente de las supernovas, lo que dificulta que el gas se condense para formar estrellas.
Finalmente, el estudio ALCHEMI proporcionó un atlas de 44 especies moleculares, duplicando el número disponible en estudios anteriores fuera de la Vía Láctea. Al aplicar una técnica de aprendizaje automático a este atlas, los investigadores pudieron identificar qué moléculas pueden rastrear de manera más efectiva la historia de la formación estelar mencionada anteriormente, desde el principio hasta el final. Como se describió anteriormente con algunos ejemplos, ciertas especies moleculares rastrean fenómenos como ondas de choque o gas denso, que podrían ayudar a la formación de estrellas. Las regiones de formación de estrellas jóvenes albergan una rica química, incluidas moléculas orgánicas complejas. Mientras tanto, el brote estelar desarrollado muestra una mejora del radical cianuro que indica la producción de energía de estrellas masivas en forma de fotones UV, lo que también podría obstaculizar la futura formación de estrellas. Encontrar estos trazadores puede ayudar a planificar observaciones futuras utilizando la mejora de sensibilidad de banda ancha que se espera para esta década como parte de la hoja de ruta de desarrollo de ALMA 2030, con la cual las observaciones simultáneas de múltiples transiciones moleculares serán mucho más manejables.
“ALMA es el único instrumento capaz de brindar la sensibilidad y resolución para este tipo de estudio. Gracias a la posibilidad de observar grandes programas (que requieren más de 50 horas de observaciones), logramos compilar un estudio completo de la química de este objeto extragaláctico que se puede comparar directamente con el que se encuentra en la Vía Láctea y el Sistema Solar”, explica Sergio Martín, investigador principal de este estudio y jefe del Departamento de Operaciones Científicas de ALMA. “Con las nuevas actualizaciones que se están realizando durante esta década en el observatorio, conocidas como Wideband Sensitivity Upgrade (WSU), podremos extender este tipo de estudio a objetos más débiles y más lejanos para comprender la evolución de la química en el Universo”.
Imágenes
Impresión artística del centro de la galaxia con estallido estelar, NGC 253. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)Arriba) Espectros del estudio ALCHEMI. (Abajo) Una imagen esquemática del centro de la galaxia con brote estelar, NGC 253, que describe los lugares donde se mejoran varias especies de moléculas trazadoras según el estudio ALCHEMI. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), N. Harada et al.
Información adicional
Este estudio está compuesto por múltiples publicaciones:
Harada et al. (ApJS 2024) “The ALCHEMI atlas: principal component analysis reveals starburst evolution in NGC 253” 10.3847/1538-4365/ad1937 published on Mar 15th, 2024
Martin et al. (A&A 2021) “ALCHEMI, an ALMA Comprehensive High-resolution Extragalactic Molecular Inventory. Survey presentation and first results from the ACA array” 10.1051/0004-6361/202141567
Tanaka et al. (ApJ 2024) “Volume Density Structure of the Central Molecular Zone NGC 253 through ALCHEMI Excitation Analysis” 10.3847/1538-4357/ad0e64
Huang et al. (A&A 2023) “Reconstructing the shock history in the CMZ of NGC 253 with ALCHEMI” 10.1051/0004-6361/202245659
Behrens et al. (ApJ 2022) “Tracing Interstellar Heating: An ALCHEMI Measurement of the HCN Isomers in NGC 253” 10.3847/1538-4357/ac91ce
Harada et al. (ApJ 2022) “ALCHEMI Finds a “Shocking” Carbon Footprint in the Starburst Galaxy NGC 253″ 10.3847/1538-4357/ac8dfc
Humire et al. (A&A 2022) “Methanol masers in NGC 253 with ALCHEMI” 10.1051/0004-6361/202243384
Holdship et al. (A&A 2022) “Energizing Star Formation: The Cosmic-Ray Ionization Rate in NGC 253 Derived from ALCHEMI Measurements of H3O+ and SO” 10.3847/1538-4357/ac6753
Haasler et al. (A&A 2022) “First extragalactic detection of a phosphorus-bearing molecule with ALCHEMI: Phosphorus nitride (PN)” 10.1051/0004-6361/202142032
Harada et al. (2021 ApJ) “Starburst Energy Feedback Seen through HCO+/HOC+ Emission in NGC 253 from ALCHEMI” 10.3847/1538-4357/ac26b8
Barrientos et al. (Experimental Astronomy 2021) “Towards the prediction of molecular parameters from astronomical emission lines using Neural Networks” 10.1007/s10686-021-09786-w
Holdship et al. (A&A 2021) “The distribution and origin of C2H in NGC 253 from ALCHEMI” 10.1051/0004-6361/202141233
Butterworth et al. (A&A in press) “Molecular isotopologue measurements toward super star clusters and the relation to their ages in NGC253 with ALCHEMI” 10.48550/arXiv.2402.10721
