Los astrónomos observan tres anillos de hierro en el disco de formación de planetas

El origen de la Tierra y del Sistema Solar inspira tanto a los científicos como al público en general. Al estudiar el estado actual de nuestro planeta y de otros objetos del Sistema Solar, los investigadores han desarrollado una imagen detallada de las condiciones hace unos 4.500 millones de años, cuando el joven Sol evolucionó a partir de un disco hecho de polvo y gas.

Gracias a los impresionantes avances en la investigación de la formación de estrellas y planetas dirigidos a objetos celestes distantes, ahora podemos sondear las condiciones del entorno alrededor de las estrellas jóvenes y compararlas con las del sistema solar primitivo. Utilizando el interferómetro del Very Large Telescope (VLTI) del Observatorio Europeo Austral (ESO), un equipo internacional de investigadores dirigido por Josef Varga del Observatorio Konkoli en Budapest, Hungría, hizo precisamente eso. Observaron el disco de formación de planetas de la joven estrella HD 144432, a unos 500 años luz de distancia.

«Al estudiar la distribución del polvo en la zona interior del disco, detectamos por primera vez una estructura compleja en la que el polvo se acumula en tres anillos concéntricos en un entorno de este tipo», afirma Roy van Boeckel. Es científico del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania, y es coautor del artículo de investigación subyacente que aparecerá en la revista. Astronomía y Astrofísica.

«Esa región corresponde a la zona del sistema solar donde se formaron los planetas rocosos», añade Van Boeckel. En comparación con el Sistema Solar, el primer anillo alrededor de HD 144432 está en la órbita de Mercurio y el segundo está más cerca de la órbita de Marte. Además, el tercer anillo corresponde aproximadamente a la órbita de Júpiter.

Hasta ahora, los astrónomos han encontrado tales configuraciones predominantemente a gran escala, correspondientes a las regiones donde Saturno orbita alrededor del Sol. Los sistemas de anillos en los discos alrededor de estrellas jóvenes a menudo indican que se están formando planetas dentro de la brecha a medida que se acumula polvo y gas en su camino.

Sin embargo, HD 144432 es el primer ejemplo de un sistema de anillos tan complejo tan cerca de su estrella anfitriona. Ocurre en la zona rica en polvo, los componentes básicos de planetas rocosos como la Tierra. Suponiendo que los anillos indican la presencia de dos planetas dentro de la brecha, los astrónomos estiman que sus masas son aproximadamente similares a las de Júpiter.

Las condiciones pueden ser similares a las del sistema solar primitivo.

Los astrónomos determinaron la composición del polvo a lo largo del disco hasta la separación de la estrella central, que corresponde a la distancia de Júpiter al Sol. Lo que encontraron es muy familiar para los científicos que estudian la Tierra y los planetas rocosos del Sistema Solar: varios silicatos (compuestos de metal, silicio y oxígeno) y otros minerales en la corteza y el manto de la Tierra, y posiblemente hierro metálico en Mercurio y la Tierra. núcleos. Si se confirma, el estudio sería el primero en encontrar hierro en un disco de formación de planetas.

«Hasta ahora los astrónomos han descrito observaciones de discos de polvo con una mezcla de carbono y polvo de silicato, objetos que vemos en todas partes del universo», explica van Boeckel. Sin embargo, desde un punto de vista químico, una mezcla de hierro y silicato es más plausible para las zonas internas del disco, más calientes.

De hecho, dijo Varga, autor principal del artículo de investigación subyacente, un modelo químico aplicado a los datos produjo resultados de mejor ajuste al introducir hierro en lugar de carbono.

Además, el polvo encontrado en el disco de HD 144432 tiene una temperatura de 1800 Kelvin (aproximadamente 1500 grados Celsius) en el borde interior y de 300 Kelvin (aproximadamente 25 grados Celsius) en el núcleo. Los minerales y el hierro se funden y se vuelven a solidificar, a menudo en forma de cristales, en regiones calientes cercanas a la estrella.

Por el contrario, los granos de carbono no retienen calor y, en cambio, están presentes como monóxido de carbono o dióxido de carbono gaseoso. Sin embargo, el carbono todavía puede ser un componente importante de las partículas sólidas en el frío disco exterior, que las observaciones realizadas para este estudio no pudieron detectar.

El polvo rico en hierro y pobre en carbono se adapta bien a las condiciones del Sistema Solar. Mercurio y la Tierra son planetas ricos en hierro, mientras que la Tierra tiene relativamente poco carbono. «Creemos que el disco de HD 144432 es similar al del sistema solar primitivo, que proporcionó suficiente hierro para los planetas rocosos que conocemos hoy», dice van Boeckel. «Nuestro estudio podría ser otro ejemplo que muestre que la composición de nuestro sistema solar es bastante única».

La interferometría resuelve pequeños detalles

Recuperar los resultados sólo fue posible con observaciones de resolución excepcionalmente alta, como las proporcionadas por el VLTI. Combinando los cuatro telescopios VLT de 8,2 metros en el Observatorio Paranal de ESO, los astrónomos pueden resolver los detalles como si estuvieran usando un telescopio con un espejo primario de 200 metros de diámetro. Varga, van Boeckel y sus colaboradores obtuvieron datos utilizando tres instrumentos para lograr un amplio rango de longitud de onda de 1,6 a 13 micrómetros, que representa la luz infrarroja.

MPIA proporcionó componentes técnicos clave para dos instrumentos, GRAVITY y el Experimento espectroscópico de infrarrojo medio de apertura múltiple (MATISSE). La misión principal de MATISSE es explorar las zonas rocosas de los discos de formación de planetas alrededor de estrellas jóvenes. «Al observar las regiones internas de los discos protoplanetarios alrededor de las estrellas, nuestro objetivo es explorar el origen de los distintos minerales del disco, minerales que más tarde formarán los componentes sólidos de planetas similares a la Tierra», dice el director del MPIA, Thomas Henning. Co-PI de Instrumentación MATISSE.

Sin embargo, producir imágenes con un interferómetro como las que estamos acostumbrados a obtener con telescopios individuales no es sencillo y requiere mucho tiempo. Un uso más eficiente del valioso tiempo de observación para comprender la estructura del objeto es comparar datos dispersos con patrones de posibles configuraciones de objetivos. En el caso del disco HD 144432, la estructura de tres anillos representa mejor los datos.

¿Qué tan comunes son los discos formadores de planetas estructurados y ricos en hierro?

Junto con el Sistema Solar, HD 144432 proporciona otro ejemplo de formación de planetas en un entorno rico en hierro. Sin embargo, los astrónomos no se detienen ahí.

«Todavía estamos esperando que algunos candidatos prometedores echen un vistazo más de cerca al VLTI», señala van Boeckel. En observaciones anteriores, el equipo encontró varios discos alrededor de estrellas jóvenes que indicaban configuraciones que necesitaban ser revisadas. Sin embargo, revelan su estructura y química detalladas utilizando el último instrumento VLTI. Con el tiempo, los astrónomos podrán aclarar si los planetas normalmente se forman en discos de polvo ricos en hierro cerca de sus estrellas madre.