El James Webb descubre flujos de gas clave en sistemas estelares jóvenes
Astrónomos obtienen detalles inéditos sobre los flujos de gas que esculpen los discos de formación planetaria en sistemas estelares de corta edad. Las observaciones permiten vislumbrar cómo era nuestro sistema solar hace 4.600 millones de años.
Por Daniel Stolte
Esta recreación artística de un disco de formación planetaria que rodea a una estrella joven muestra un panqueque arremolinado de gas caliente y polvo a partir del cual se forman los planetas. Utilizando el telescopio espacial James Webb, el equipo obtuvo imágenes detalladas que muestran la estructura cónica y estratificada de los vientos de disco, corrientes de gas que soplan hacia el espacio. Crédito: National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ)
Cada segundo, más de 3.000 estrellas nacen en el universo visible. Muchas están rodeadas por lo que los astrónomos llaman un disco protoplanetario, una tortita de gas y polvo caliente que gira y de la cual emergen los planetas. Sin embargo, los procesos exactos que dan origen a las estrellas y a los sistemas planetarios aún no se comprenden bien.
Un equipo de astrónomos liderado por investigadores de la Universidad de Arizona, en Estados Unidos, ha utilizado el telescopio espacial James Webb de la NASA para cosechar algunos de los conocimientos más detallados sobre las fuerzas que moldean los discos protoplanetarios. Las observaciones permiten vislumbrar cómo era nuestro sistema solar hace 4.600 millones de años.
En concreto, 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 planetaria hacia el espacio. Impulsados en gran medida por campos magnéticos, estos vientos pueden viajar decenas de kilómetros en solo un segundo.
El proceso de acreción
Los hallazgos de los investigadores, publicados en la revista 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 en el Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona, uno de los procesos más importantes que actúan en un disco protoplanetario es la absorción de materia por parte de la estrella desde su disco circundante, lo que se conoce como acreción.
««La manera en que una estrella acumula masa influye enormemente en la evolución del disco que la rodea, incluida la posterior formación de planetas —explica Pascucci —. Aún no se conoce cómo ocurre esto con detalle, pero creemos que los vientos impulsados por campos magnéticos en la mayor parte de la superficie del disco podrían desempeñar un papel muy importante».
Las estrellas jóvenes crecen atrayendo gas del disco que gira a su alrededor, pero para que eso ocurra, el gas debe perder primero parte de su inercia. De lo contrario, el gas orbitaría constantemente alrededor de la estrella y nunca caería sobre ella. Los astrofísicos denominan a este proceso pérdida de momento angular, pero hasta ahora no se sabía exactamente cómo ocurría.
Para comprender mejor cómo funciona el momento angular en un disco protoplanetario, podemos imaginarnos a una patinadora artística sobre el hielo: si coloca los brazos junto al cuerpo cuerpo, girará más rápido, mientras que si los estira, su rotación será más lenta. Como su masa no cambia, el momento angular sigue siendo el mismo.
Esta imagen RGB compuesta de una de las fuentes descritas en el artículo (HH30) muestra por primera vez la morfología anidada de los vientos de disco con múltiples trazadores: la emisión de Fe[II] (en azul) traza el componente más rápido y colimado (el chorro). La emisión de Fe[II] está anidada dentro de una emisión de hidrógeno de menor velocidad (verde), que a su vez está anidada dentro de una emisión de monóxido de carbono (J=2-1) aún más lenta (rojo). Las emisiones de Fe[II] e hidrógeno se obtuvieron con JWST/NIRSpec, mientras que la emisión de monóxido de carbono se observó previamente con ALMA (Atacama Large Millimeter Array). Cortesía: Ilaria Pascucci et al.
Para que ocurra la acreción, el gas a lo largo del disco debe desprender momento angular, pero los astrofísicos tienen dificultades para acordar exactamente cómo sucede esto. En los últimos años, los vientos del disco han surgido como actores importantes que canalizan parte del gas de la superficie del disco, y con ello, el momento angular, lo que permite que el gas restante se mueva hacia adentro y finalmente caiga sobre la estrella.
Según la segunda autora del artículo, Tracy Beck, del Space Telescope Science Institute de la NASA, es fundamental poder distinguir entre los distintos fenómenos, ya que existen otros procesos que dan forma a los discos protoplanetarios.
Mientras que el material del borde interior del disco es empujado hacia fuera 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 luz estelar, lo que origina los llamados vientos térmicos, que soplan a velocidades mucho más lentas.
«Para distinguir entre el viento impulsado por el campo magnético, el viento térmico y el viento X, necesitábamos la alta sensibilidad y resolución del JWST [el telescopio espacial James Webb]», explica Beck.
Vientos que recorren vastas distancias
A diferencia del viento X, los vientos observados en el presente estudio se originan en una región más amplia que incluiría los planetas rocosos interiores de nuestro sistema solar, aproximadamente entre la Tierra y Marte. Estos vientos también se extienden más por encima del disco que los vientos térmicos, alcanzando distancias cientos de veces superiores a la distancia entre la Tierra y el Sol.
«Nuestras observaciones sugieren fuertemente que hemos obtenido las primeras imágenes de los vientos que pueden eliminar el momento angular y resolver el viejo problema de cómo se forman las estrellas y los sistemas planetarios», afirma Pascucci.
Para su estudio, los investigadores seleccionaron cuatro sistemas de discos protoplanetarios, que tienen la particularidad de que todos ellos aparecen de canto cuando se observan desde la Tierra.
Esta ilustración muestra una estrella rodeada por un disco protoplanetario. El material del grueso disco fluye a lo largo de las líneas del campo magnético de la estrella y se deposita en la superficie de la estrella. Cuando el material golpea la estrella, se ilumina intensamente. Cortesía: NASA/JPL-Caltech
«Su orientación permitió que el polvo y el gas del disco actuaran como una máscara, bloqueando parte de la luz de la brillante estrella central, que de otro modo habría abrumado a los vientos», explica Naman Bajaj, estudiante de posgrado del Lunar and Planetary Laboratory que ha colaborado en el estudio.
Al sintonizar los detectores del JWST para distinguir moléculas en determinados 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 originados a distancias progresivamente mayores del disco, 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.
A continuación, el equipo de Pascucci espera ampliar estas observaciones a más discos protoplanetarios, para hacerse una mejor idea de lo comunes que son en el universo las estructuras de viento de disco observadas y de cómo evolucionan con el tiempo.
«Creemos que podrían ser frecuentes, pero con cuatro objetos es un poco difícil saberlo —afirma Pascucci. Y concluye—: Queremos obtener una muestra mayor con James Webb, y luego ver también si podemos detectar cambios en estos vientos a medida que las estrellas se ensamblan y se forman planetas». ▪️
Información facilitada por la Universidad de Arizona -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Pascucci, I., Beck, T.L., Cabrit, S. et al. The nested morphology of disk winds from young stars revealed by JWST/NIRSpec observations. Nature Astronomy (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-024-02385-7
