ESO : Un estallido estelar nos permite ver la línea de nieve del agua

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El conjunto de antenas ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ha realizado la primera observación en la que se logra resolver una línea de nieve del agua dentro de un disco protoplanetario. Esta línea marca el lugar en el que la temperatura en el disco que rodea a una estrella joven es lo suficientemente baja como para permitir la formación de nieve. Un impactante aumento en el brillo de la estrella joven V883 Orionis ha calentado la parte interna del disco, haciendo que la línea de nieve del agua surja a una distancia mucho mayor de lo normal para una protoestrella, lo cual ha hecho posible que podamos observarla por primera vez. Los resultados se publican en la revista Nature el 14 de julio de 2016.

Las estrellas jóvenes a menudo están rodeadas por densos discos giratorios de gas y polvo, conocidos como discos protoplanetarios, de los cuales nacen los planetas. El calor de una típica estrella joven de tipo solar hace que el agua que hay dentro de los discos protoplanetarios esté en forma de gas hasta distancias de alrededor de 3 UA de la estrella [1] — menos de 3 veces la distancia media entre la Tierra y el Sol — o alrededor de 450 millones de kilómetros [2]. Además, debido a la presión extremadamente baja, las moléculas de agua pasan directamente del estado gaseoso a formar una pátina de hielo sobre granos de polvo y otras partículas. La región de los discos protoplanetarios en la que tienen lugar las transiciones entre la fase de gas y la sólida se conoce como la línea de nieve [3].

Pero la estrella V883 Orionis es inusual. Un impactante aumento en su brillo ha empujado la línea de nieve del agua a una distancia de alrededor de 40 UA (unos 6.000 millones de kilómetros, o aproximadamente el tamaño de la órbita del planeta enano Plutón en nuestro Sistema Solar). Este enorme incremento, combinado con la resolución del ALMA en línea de base larga [4], ha permitido a un equipo dirigido por Lucas Cieza (Millennium ALMA Disk Nucleus y Universidad Diego Portales, Santiago, Chile) hacer las primeras observaciones en las que se logra resolver una línea de nieve del agua en un disco protoplanetario.

El súbito aumento de brillo experimentado por V883 Orionis es un ejemplo de lo que ocurre cuando grandes cantidades de material del disco que rodea una estrella joven caen sobre su superficie. V883 Orionis es sólo un 30% más masiva que el Sol pero, gracias a este estallido, actualmente es 400 veces más luminosa y mucho más caliente [5].

El autor principal, Lucas Cieza, explica: "Las observaciones de ALMA fueron una sorpresa para nosotros. Nuestras observaciones se diseñaron para obtener imágenes de la fragmentación del disco que lleva a la formación del planeta. No vimos nada de eso; en cambio, encontramos lo que parece un anillo a 40 UA. Esto ilustra bien el poder transformador de la ALMA, que brinda resultados interesantes aunque no sean los que estábamos buscando."

La extraña idea de nieve orbitando en el espacio es fundamental para la formación de planetas. La presencia de hielo de agua regula la eficacia de la coagulación de granos de polvo (el primer paso en la formación de planetas). Se cree que los planetas rocosos y pequeños, como el nuestro, se forman dentro de la línea de nieve, donde el agua se evapora. Fuera de la línea de nieve del agua, la presencia de hielo de agua permite la rápida formación de bolas de nieve cósmicas, que finalmente formarán enormes planetas gaseosos como Júpiter.

Descubrir que estos estallidos pueden empujar la línea de nieve del agua a cerca de diez veces su radio típico es muy importante para el desarrollo de buenos modelos de formación planetaria. Se cree que este tipo de explosiones son una etapa en la evolución de la mayoría de los sistemas planetarios, así que esta puede ser la primera observación de un evento común. En ese caso, esta observación de ALMA podría contribuir significativamente a una mejor comprensión de cómo se formaron y evolucionaron los planetas en todo el universo.

Notas

[1] Una UA, o una unidad astronómica, es la distancia media entre la Tierra y el Sol, aproximadamente 149,6 millones de km. Esta unidad se utiliza típicamente para describir distancias medidas dentro del Sistema Solar y en los sistemas planetarios alrededor de otras estrellas.

[2] Esta línea estaba entre las órbitas de Marte y Júpiter durante la formación del Sistema Solar, por lo tanto, los planetas rocosos (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) se formaron dentro de la línea, y los planetas gaseosos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) se formaron fuera.

[3] Las líneas de nieve de otras moléculas, como monóxido de carbono y metano, se han observado previamente con ALMA, a distancias de más de 30 UA de la protoestrella en otros discos protoplanetarios. El agua se congela a una temperaturas relativamente altas y esto significa que la línea de nieve del agua está, generalmente, demasiado cerca de la protoestrella como para poder observarla directamente.

[4] La resolución es la capacidad de discernir que dos objetos están separados. Para el ojo humano, varias antorchas brillantes a cierta distancia parecería un solo punto brillante y sólo acercándonos distinguiríamos cada antorcha individualmente. El mismo principio se aplica a los telescopios y, estas nuevas observaciones, han aprovechado la exquisita resolución de ALMA en su modalidad de línea de base larga. La resolución del ALMA en la distancia a la que se encuentra V883 Orionis es aproximadamente de 12 UA — suficiente para resolver la línea de nieve del agua a 40 UA en este sistema explosivo, pero no para una típica estrella joven.

[5] Las estrellas como V883 Orionis se clasifican como estrellas FU Orionis, por la primera estrella descubierta con este comportamiento. Las explosiones pueden durar cientos de años.

Información adicional

Este trabajo de investigación se ha presentado en el artículo científico titulado “Imaging the water snow-line during a protostellar outburst”, por L. Cieza et al., que aparece en la revista Nature el 14 de julio de 2016.

El equipo está compuesto por Lucas A. Cieza (Millennium ALMA Disk Nucleus; Universidad Diego Portales, Santiago, Chile); Simon Casassus (Universidad de Chile, Santiago, Chile); John Tobin (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Países Bajos); Steven Bos (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Países Bajos); Jonathan P. Williams (Universidad de Hawái en Manoa, Honolulu, Hawái, EE.UU.); Sebastián Pérez (Universidad de Chile, Santiago, Chile); Zhaohuan Zhu (Universidad de Princeton, Princeton, New Jersey, EE.UU.); Claudio Cáceres (Universidad Valparaíso, Valparaíso, Chile); Héctor Cánovas (Universidad Valparaíso, Valparaíso, Chile); Michael M. Dunham (Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, Cambridge, Massachusetts, EE.UU.); Antonio Hales (Observatorio Conjunto ALMA, Santiago, Chile); Jose L. Prieto (Universidad Diego Portales, Santiago, Chile); David A. Príncipe (Universidad Diego Portales, Santiago, Chile); Matthias R. Schreiber (Universidad Valparaíso, Valparaíso, Chile); Dary Ruiz-Rodríguez (Universidad Nacional Australiana, Observatorio Mount Stromlo, Canberra, Australia); y Alice Zurlo (Universidad Diego Portales & Universidad de Chile, Santiago, Chile).

El conjunto ALMA, (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) es una instalación astronómica internacional fruto de la colaboración entre ESO, la Fundación Nacional para la Ciencia de EE.UU. (NSF, National Science Foundation) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS, National Institutes of Natural Sciences) en cooperación con la República de Chile. ALMA está financiado por ESO en nombre de sus países miembros; por la NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC, National Research Council) y el Consejo Nacional de Ciencias de Taiwán (NSC, National Science Council), y por el NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Astronomía y Ciencias Espaciales de Corea (KASI, Korea Astronomy and Space Science Institute).

La construcción y operaciones de ALMA están lideradas por ESO en nombre de sus países miembros; por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO, National Radio Astronomy Observatory), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en América del Norte; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ, Observatorio Astronómico Nacional de Japón) en Asia Oriental. El Observatorio Conjunto ALMA (Observatorio Conjunto ALMA, JAO) proporciona al proyecto la unificación tanto del liderazgo como de la gestión de la construcción, puesta a punto y operaciones de ALMA.

ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Cuenta con el respaldo de dieciséis países: Alemania, Austria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza, junto con el país anfitrión, Chile. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera en Chile tres instalaciones de observación únicas en el mundo: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del mundo, y dos telescopios de rastreo. VISTA (siglas en inglés de Telescopio de Rastreo Óptico e Infrarrojo para Astronomía) trabaja en el infrarrojo y es el telescopio de rastreo más grande del mundo, y el VST (VLT Survey Telescope, Telescopio de Rastreo del VLT) es el telescopio más grande diseñado exclusivamente para rastrear el cielo en luz visible. ESO es el socio europeo de un revolucionario telescopio, ALMA, actualmente el mayor proyecto astronómico en funcionamiento del mundo. Además, cerca de Paranal, en Cerro Armazones, ESO está construyendo el E-ELT (European Extremely Large Telescope), el telescopio óptico y de infrarrojo cercano de 39 metros que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.

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