Sistema estelar Formalhaut.

ALMA revela detalles de anillo de hielo alrededor de joven sistema planetario.


Esta imagen de ALMA representa el disco de escombros en el sistema Fomalhaut. El anillo está a unos 20 mil millones de kilómetros de la estrella central y mide unos 2 mil millones de kilómetros de ancho. El punto central es la emisión sin resolver de la estrella, que tiene aproximadamente el doble de masa que el Sol. Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO); M. MacGregor. 

La historia:
Un equipo internacional de astrónomos usó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para producir la primera imagen completa, en longitudes de onda milimétricas, del anillo de escombros que rodea la joven estrella Fomalhaut. Esta franja de escombros y gas extraordinariamente bien definida es probablemente el resultado de exocometas que chocaron unos con otros en los límites externos de un sistema planetario situado a 25 años luz de la Tierra. Estas observaciones permitieron establecer analogías con los cometas de nuestro propio Sistema Solar.

Las imágenes de Fomalhaut obtenidas anteriormente con ALMA, el año 2012 cuando el telescopio aún se encontraba en construcción, mostraban aproximadamente la mitad del disco de escombros. Si bien se había obtenido en un ensayo de la capacidad inicial de ALMA, esta imagen ya había proporcionado indicios muy interesantes sobre la naturaleza y el posible origen del disco.

Las nuevas observaciones de ALMA aportaron ahora una asombrosa vista de la brillante franja de escombros en su totalidad, y revelaron similitudes químicas entre su contenido helado y los cometas de nuestro Sistema Solar.

“ALMA nos proporcionó esta imagen extraordinariamente nítida de un disco de escombros totalmente formado”, celebra Meredith MacGregor, astrónoma del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, en Cambridge (Massachusetts, EE. UU.), y autora principal de uno de dos artículos acogidos para la publicación en The Astrophysical Journal donde se describen estas observaciones. “Por fin podemos ver la forma bien definida de este disco, que podría proporcionarnos bastante información sobre el sistema planetario donde se originó, y que es responsable por su apariencia tan característica”.

Fomalhaut es un sistema estelar relativamente cercano, y uno de unos 20 sistemas con planetas de los cuales se han obtenido imágenes directas. El sistema entera tiene aproximadamente 440 millones de años, o cerca de un décimo de la edad nuestro Sistema Solar.

Tal como se aprecia en la nueva imagen de ALMA, a unos 20.000 millones de kilómetros de la estrella se formó una brillante franja de polvo helado de aproximadamente 2.000 millones de kilómetros de extensión.

Los discos de escombros alrededor de las estrellas jóvenes son un fenómeno común, correspondientes a períodos dinámicos y caóticos de la historia de los sistemas solares. Los astrónomos creen que se forman durante las colisiones de cometas y otros planetesimales en las partes externas de sistemas solares jóvenes. Los escombros remanentes absorben la luz de la estrella central y reemiten esa energía en forma de un tenue brillo en longitudes de onda milimétricas que pueden ser observadas con ALMA.

Con los nuevos datos recabados por ALMA y un detallado modelo informático, los investigadores pudieron calcular con precisión el emplazamiento, el ancho y las características geométricas del disco. Estos parámetros confirmaron que un anillo tan angosto probablemente sea el resultado de la influencia gravitacional de los planetas del sistema, explica MacGregor.

Las nuevas observaciones de ALMA también son las primeras en mostrar claramente un brillo apocéntrico, un fenómeno predicho en 2016 en un artículo firmado por Margaret Pan, investigadora del Instituto de Tecnología de Massachusetts, de Cambridge, quien también es coautora de los nuevos artículos de ALMA. Al igual que cualquier objeto con órbita alargada, el material polvoriento del disco de Fomalhaut se desplaza más lentamente cuando se encuentra más lejos de la estrella. A medida que disminuye su velocidad, el polvo se acumula y forma densas concentraciones en las partes más distantes del disco. Estas densas áreas son detectadas por ALMA como emisiones milimétricas más brillantes.

Al usar los mismos datos de ALMA pero centrándose en claras señales milimétricas emitidas naturalmente por las moléculas del espacio, los investigadores también pudieron detectar grandes nubes de gas de monóxido de carbono precisamente en el mismo lugar que el disco de escombros.

“Estos datos nos permitieron determinar que la abundancia relativa de monóxido de carbono y de dióxido de carbono alrededor de Fomalhaut es más o menos la misma que la que se observa en los cometas de nuestro Sistema Solar”, explica Luca Matrà, investigador de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y autor principal del segundo artículo publicado por el equipo. “Esta similitud química permite establecer una analogía con las condiciones que propician la formación de cometas en las zonas externas de este sistema planetario y el nuestro”. Matrà y sus colegas creen que este gas es liberado durante constantes colisiones de cometas, o bien es el resultado de un único y gran impacto de supercometas cientos de veces más masivos que el Hale-Bopp.

La presencia de este disco de escombros bien definido alrededor de Fomalhaut, sumada a su composición química particularmente familiar, podría ser un indicio de que este sistema está experimentando su propia versión del Último Bombardeo Intenso, un período ocurrido hace aproximadamente 4.000 millones de años, cuando la Tierra y otros planetas recibían frecuentes embestidas de asteroides y cometas que sobraron del proceso de formación del Sistema Solar.

“Hace veinte años, los mejores telescopios milimétricos produjeron los primeros mapas borrosos de los granos de polvo que orbitaban alrededor de Fomalhaut. Ahora, con ALMA funcionando a plena capacidad, se obtuvo una imagen del anillo entero”, comenta Paul Kalas, astrónomo de la Universidad de California (Berkeley) e investigador principal de una de estas observaciones. “Esperamos detectar un día los planetas que ejercen influencia sobre las órbitas de estos granos”.

Información adicional.
Esta investigación se consigna en un artículo titulado “A complete ALMA map of the Fomalhaut debris disk” (‘Un mapa completo del disco de escombros de Fomalhaut producido por ALMA’), de M. MacGregor et al., y en “Detection of exocometary CO within the 440MYR-old Fomalhaut belt: A similar CO+CO2 ice abundance in exocomets and solar system comets” (‘Detección de CO exocometario en la franja de 440 millones de años de Fomalhaut: una abundancia de hielo de CO+CO2 similar en exocometas y cometas del Sistema Solar’), de L. Matrà et al., que se publicarán ambos en The Astrophysical Journal.

Esta investigación se financió con apoyo de la red de investigación Nexus for Exoplanet System Science (NExSS), patrocinada por Science Mission Directorate, de la NASA, así como las becas NNX15AC89G y NNX15AD95G de la NASA, la beca AST-1518332 de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), la beca de investigación de pregrado DGE1144152 de la NSF, y la beca Student Observing Support del Observatorio Radioastronómico Nacional de EE. UU. (NRAO). Este estudio también fue posible gracias a una beca de posgrado del Consejo de Instalaciones de Ciencias y Tecnología del Reino Unido (STFC) y a la beca n.º 279973 del Consejo Europeo de Investigación (CEI).

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 Consejo Nacional de Ciencia de Taiwán (NSC), 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 miembros asociados; 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.

Créditos:
ALMA.

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