El Telescopio Espacial James Webb revela detalles esquivos en sistemas estelares jóvenes

Astrónomos han descubierto nuevos detalles de los flujos de gas que esculpen los discos de formación de planetas y les dan forma con el tiempo, ofreciendo una idea de cómo probablemente surgió nuestro propio sistema solar.

Cada segundo nacen más de 3.000 estrellas en el universo visible. Muchos están rodeadas por lo que los astrónomos llaman un disco protoplanetario: una especie de “panqueque” giratorio de gas caliente y polvo a partir del cual se forman los planetas. Sin embargo, los procesos exactos que dan origen a las estrellas y los sistemas planetarios aún no se conocen bien.

Un equipo de astrónomos dirigido por investigadores de la Universidad de Arizona ha utilizado el Telescopio Espacial James Webb para obtener algunos de los conocimientos más detallados sobre las fuerzas que dan forma a los discos protoplanetarios. Las observaciones permiten vislumbrar cómo podría haber sido nuestro sistema solar unos 4.600 millones de años atrás.

Específicamente, el equipo pudo rastrear los llamados vientos de disco con un detalle sin precedentes. Estos vientos son corrientes de gas que soplan desde el disco de formación de planetas hacia el espacio. Impulsados ​​en gran medida por campos magnéticos, estos vientos pueden viajar decenas de kilómetros en apenas un segundo. Los hallazgos de los investigadores, publicados en Nature Astronomy, ayudan a los astrónomos a comprender mejor cómo se forman y evolucionan los sistemas planetarios jóvenes.

Según la autora principal del artículo, Ilaria Pascucci, profesora del Laboratorio Planetario y Lunar de la Universidad de Arizona, uno de los procesos más importantes que ocurren en un disco protoplanetario es el de la estrella que come materia del disco circundante, lo que se conoce como acreción.

“La forma en que una estrella acumula masa tiene una gran influencia en cómo evoluciona el disco circundante con el tiempo, incluida la forma en que se forman los planetas más adelante”, detalló Pascucci. “No se han comprendido las formas específicas en que esto sucede, pero creemos que los vientos impulsados ​​por campos magnéticos a través de la mayor parte de la superficie del disco podrían desempeñar un papel muy importante”.

Momento angular

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Las estrellas jóvenes se desarrollan absorbiendo gas del disco que gira a su alrededor, pero para que eso suceda, el gas primero debe perder parte de su inercia. De lo contrario, el gas orbitaría constantemente la estrella y nunca caería sobre ella. Los astrofísicos llaman a este proceso “pérdida de momento angular”, pero no se sabe exactamente cómo sucede.

Para comprender mejor cómo funciona el momento angular en un disco protoplanetario, es útil imaginarse a una patinadora artística sobre el hielo: colocar los brazos junto al cuerpo la hará girar más rápido, mientras que desplegarlos ralentizará su rotación. Como su masa no cambia, el momento angular sigue siendo el mismo.

Para que se concrete la acreción, el gas a través del disco tiene que perder momento angular, pero a los astrofísicos les resulta difícil ponerse de acuerdo sobre cómo sucede esto exactamente. En los últimos años, los vientos del disco de acreción se han convertido en actores importantes porque canalizan parte del gas de la superficie del disco (y con él, el momento angular), lo que permite que el gas sobrante se mueva hacia adentro y finalmente caiga sobre la estrella.

Debido a que hay otros procesos en funcionamiento que dan forma a los discos protoplanetarios, es fundamental poder distinguir entre los diferentes fenómenos, según la segunda autora del artículo, Tracy Beck, del Instituto Científico del Telescopio Espacial de la NASA.

Vientos X

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Mientras que el material del borde interior del disco es expulsado por el campo magnético de la estrella en lo que se conoce como viento X, las partes exteriores del disco son erosionadas por la intensa radiación estelar, lo que da lugar a los llamados vientos térmicos, que soplan a velocidades mucho más lentas.

Beck indicó que “para distinguir entre el viento impulsado por el campo magnético, el viento térmico y el viento X, realmente necesitábamos la alta sensibilidad y resolución del JWST (el Telescopio Espacial James Webb)”.

Vientos térmicos

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A diferencia del viento X, de enfoque limitado, los vientos observados en el estudio, que abordamos aquí, se originan en una región más amplia que incluiría los planetas rocosos internos de nuestro sistema solar, aproximadamente entre la Tierra y Marte. Estos vientos también se extienden muy por arriba del disco que los vientos térmicos, alcanzando distancias cientos de veces la distancia entre la Tierra y el Sol.

¿¡Eureka!?

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“Nuestras observaciones sugieren fuertemente que hemos obtenido las primeras imágenes de los vientos que pueden eliminar el momento angular y resolver el problema de larga data de cómo se forman las estrellas y los sistemas planetarios”, dijo Pascucci.

Para su estudio, el equipo de investigadores seleccionó cuatro sistemas de discos protoplanetarios, todos los cuales parecen de canto cuando se ven desde la Tierra.

Y no es casualidad, ya que “su orientación permitió que el polvo y el gas en el disco actuaran como una máscara, bloqueando parte de la luz de la brillante estrella central, que de otro modo habría abrumado a los vientos”, explicó Naman Bajaj, estudiante graduado en el Laboratorio Lunar y Planetario que contribuyó al estudio.

‘Cebolla de los vientos’

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Al ajustar los detectores del JWST a distintas moléculas en ciertos estados de transición, el equipo pudo rastrear varias capas de los vientos. Las observaciones revelaron una intrincada estructura tridimensional de un chorro central, anidado dentro de una envoltura en forma de cono de vientos que se originan a distancias de disco progresivamente mayores, similar a la estructura en capas de una cebolla. Un nuevo hallazgo importante, según los investigadores, fue la detección consistente de un pronunciado agujero central dentro de los conos, formado por vientos moleculares en cada uno de los cuatro discos.

En el futuro, el equipo de Pascucci espera ampliar estas observaciones a más discos protoplanetarios, para tener una mejor idea de cuán comunes son las estructuras de viento de disco observadas en el universo y cómo evolucionan con el tiempo.

“Creemos que podrían ser comunes, pero con cuatro objetos es un poco difícil decirlo”, manifestó Pascucci. “Queremos obtener una muestra más grande con James Webb y luego ver si podemos detectar cambios en estos vientos a medida que las estrellas se ensamblan y se forman los planetas”.

Importante

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• El paper “The nested morphology of disk winds from young stars revealed by JWST/NIRSpec observations”, fue publicado en Nature Astronomy

• El artículo Winds of Change: James Webb Space Telescope Reveals Elusive Details in Young Star Systems, con la firma de Daniel Stolte fue publicado en AU News. Los autores son: Ilaria Pascucci, Naman S. Bajaj, Bennett N. Skinner, Tracy L. Beck, James Muzerolle Page, Sylvie Cabrit, Fabien Louvet, Gaspard Duchêne, Suzan Edwards, Joan R. Najita, Bennett N. Skinner, Uma Gorti, Maxime Ruaud, Colette Salyk, Sean D. Brittain, Sebastiaan Krijt, Kamber Schwarz, Dmitry Semenov & Marion Villenave.

• En los reconocimientos, se indicó que el trabajo volcado en el paper **“se basa en observaciones realizadas con el JWST de NASA/ESA/CSA. Los datos se obtuvieron del Archivo Mikulski para Telescopios Espaciales en el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, operado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, Inc., bajo el contrato de la NASA NAS 5-03127 para JWST. Estas observaciones están asociadas con el programa 1621 del ciclo 1 del observador general (PI I. Pascucci). IP y N.S.B. Reconocen el apoyo parcial de la NASA y el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (GO Grant No. JWST-GO-01621.001, PI I.P.). SC reconoce la financiación procedente del Consejo Científico del Observatorio de París y el programa nacional Physique et Chimie du Milieu Interstellaire del Centre National de la Recherche Scientifique, un programa operado a través del Institut National des Sciences de l’Univers con el Institut National de Chimie y el Institut National de Physique y cofinanciado por el Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives y el Centre National d’Etudes Spatiales. S.A. y D.S. reconocen el apoyo del Consejo Europeo de Investigación (ERC) en el marco del Programa Marco Horizonte 2020 a través de ERC Advanced Grant Origins 83 24 28, PI Th. Henning. G.D. reconoce el apoyo del ERC en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte Europa de la Unión Europea (Acuerdo de subvención n.º 101053020, Proyecto Dust2Planets, PI F. Ménard) MV reconoce el apoyo del ERC en el marco del Programa de Investigación e Innovación Horizonte Europa de la Unión Europea (Acuerdo de subvención n.º 101039651, DiscEvol, PI G. Rosotti) agradece a D. Deng y F. Long por una exploración inicial de los datos de ALMA para nuestras fuentes. Reconocemos el uso de los siguientes paquetes: api, Astropy, NumPy, SciPy, sklearn, Matplotlib y pandas”.