Una investigación liderada por Pietro Curone, Investigador Postdoctoral de CATA, detectó anillos, brechas y cavidades en discos protoplanetarios de pequeño tamaño. El estudio, realizado con el radiotelescopio ALMA, muestra que estas estructuras pueden pasar inadvertidas cuando no se cuenta con suficiente resolución para observarlas.
Los discos de gas y polvo que rodean a las estrellas jóvenes son los entornos donde se forman los planetas. Aunque las observaciones astronómicas han revelado estructuras complejas en discos grandes y brillantes, los sistemas más compactos han parecido relativamente lisos y sin rasgos distintivos, lo que plantea la cuestión de si evolucionan de manera diferente o si sus estructuras simplemente han sido demasiado pequeñas para ser visibles.
Un nuevo estudio, publicado en The Astrophysical Journal Letters y liderado por Pietro Curone, Investigador Postdoctoral del Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines – CATA (proyecto financiado por ANID), demuestra que estos discos también pueden albergar estructuras que entregan pistas sobre los procesos de formación planetaria.
Revelando detalles en discos de pequeño tamaño
La investigación utilizó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para observar 11 discos protoplanetarios extremadamente compactos en la región de formación estelar de Lupus. Las observaciones se realizaron en la Banda 7, a una longitud de onda de aproximadamente 0,9 milímetros, alcanzando una resolución angular de 0,02 segundos de arco, equivalente a 2 unidades astronómicas (UA), en otras palabras, el doble de la distancia media entre la Tierra y el Sol.
Gracias a este nivel de detalle, el equipo identificó subestructuras internas en cuatro discos y encontró indicios de características similares en otros tres. Entre los resultados destaca Sz 112, donde fue posible distinguir una cavidad central que se extiende hasta 1,6 UA de la estrella. Además, dos sistemas, Sz 73 y Sz 130, mostraron anillos tenues que se extienden mucho más allá de sus brillantes discos centrales. Asimismo, otros cuatro sistemas presentan indicios preliminares de una emisión exterior similar. Estos resultados plantean la posibilidad de que algunos discos clasificados como muy pequeños contengan material más extendido que había permanecido oculto debido a su escasa luminosidad.
“Ver subestructuras en estos discos es importante porque nos muestra que incluso los discos muy compactos, que en observaciones anteriores siempre aparecían lisos, también tienen subestructuras con anillos, gaps (brechas) y cavidades internas, tal como ocurre en discos mucho más grandes y masivos”, explica Curone, también investigador postdoctoral de la Universidad de Chile y la Pontificia Universidad Católica de Chile (UC), donde cuenta con supervisión académica en ambas instituciones.
El astrónomo agrega que estas estructuras permiten estimar la masa de los posibles planetas que podrían originarlos, que en los casos estudiados se situaría en el rango de las supertierras y los mini-Neptunos. Esto abre nuevas oportunidades para investigar cómo se forman planetas de estas características en regiones cercanas a sus estrellas, una zona que resulta especialmente interesante porque muchos exoplanetas conocidos orbitan a distancias relativamente pequeñas.
El estudio también contó con la participación de Gijs Mulders, Investigador Asociado de CATA y académico de la UC; Laura Pérez, Investigadora Principal de CATA y académica de la U. de Chile y Nienke van der Marel, investigadora del Observatorio de Leiden, Países Bajos.
Estructuras que podrían favorecer la formación planetaria
Para Mulders, uno de los aspectos relevantes del trabajo es la posibilidad de identificar estructuras que podrían favorecer la formación planetaria en regiones más cercanas a las estrellas jóvenes. Entre estas, se encuentran las llamadas trampas de presión (pressure traps), zonas del disco donde las partículas sólidas pueden concentrarse.
“Generalmente estas estructuras son observadas más lejos de la estrella, en discos grandes y masivos, mientras los exoplanetas orbitan más cerca. Encontrarlas tan cerca de las estrellas, en discos compactos y livianos, significa que pueden ser los lugares donde se forman los propios exoplanetas”.
Estas estructuras son relevantes porque las partículas sólidas presentes en los discos tienden a desplazarse hacia el interior, en dirección a la estrella. Los anillos y las brechas pueden estar asociados a cambios en la presión del gas que frenan esa migración y permiten que el polvo se acumule en determinadas regiones. De esta manera, podrían generar condiciones favorables para que el material sólido crezca y contribuya a la formación de planetas.
La resolución marca la diferencia
La comparación con observaciones anteriores también permitió establecer que la frecuencia con que se detectan estas estructuras depende del tamaño de los discos y de la resolución de las imágenes. Entre los discos observados con suficiente detalle, se identificaron subestructuras en aproximadamente el 44 % de los sistemas extremadamente compactos, con radios de entre 3 y 10 UA, y en alrededor del 55 % de aquellos con radios de entre 10 y 30 UA. En los discos de más de 30 UA, la proporción supera el 90 %. Estas diferencias sugieren que la menor detección de estructuras en los discos pequeños se debía, al menos en parte, a las limitaciones de las observaciones y no necesariamente a su ausencia.
“La cuestión central para nosotros era si los discos pequeños carecían realmente de estructura o si sus características simplemente se encontraban más allá de nuestro límite de resolución”, señala Mulders. “Para responder esto, comparamos las nuevas observaciones de discos compactos con estudios previos de ALMA sobre discos de formación planetaria”.
Sin embargo, los investigadores advierten que los anillos, las brechas y las cavidades pueden no constituir detecciones directas de planetas, ya que también pueden producirse mediante otros mecanismos físicos. Aunque un planeta en formación podría explicar algunas de las estructuras identificadas, se requieren nuevas observaciones para determinar su origen.
En esa línea, Laura Pérez destaca cómo la capacidad de distinguir detalles más pequeños puede cambiar la interpretación de estos sistemas. “Este es un buen ejemplo de cómo cambia nuestro entendimiento cuando aumentamos la resolución. Un disco que parece liso a baja resolución puede revelar una rica estructura interna en cuanto somos capaces de distinguir detalles separados por tan solo unas pocas unidades astronómicas”, afirma la astrónoma.
Futuras observaciones para comprender estos sistemas
Los resultados apuntan a que los discos grandes y compactos podrían compartir procesos físicos y estructuras similares, aunque estos se desarrollen a escalas diferentes. Las futuras observaciones de alta resolución -con antenas más extendidas o el futuro Next Generation Very Large Array (ngVLA)-, permitirán determinar cuán comunes son estas estructuras y si corresponden a los lugares donde se están formando nuevos planetas.
Estos estudios a largo plazo también ayudarán a establecer si los anillos, las brechas y las cavidades identificadas corresponden a los lugares donde se están formando nuevos planetas.
