Agencias/Ciudad de México.- Pequeños ‘huracanes’ que se forman en los discos de gas y polvo alrededor de las estrellas jóvenes han sido usados para para poner límites a la masa y edad de los planetas en un sistema estelar joven.
Investigadores de la Universidad de Cambridge y del Instituto de Estudios Avanzados han desarrollado esta técnica con observaciones del Atacama Large Millimeter/submillimetre Array (ALMA).
El proceso de formación de planetas comienza en las nubes de gases, polvo y hielo que rodean a las estrellas jóvenes, conocidas como discos protoplanetarios. A través de un proceso conocido como acreción del núcleo, la gravedad hace que las partículas del disco se adhieran unas a otras, formando finalmente cuerpos sólidos de mayor tamaño, como asteroides o planetas. Al formarse, los planetas jóvenes empiezan a abrir huecos en el disco protoplanetario, como los surcos de un disco de vinilo.
Incluso un planeta relativamente pequeño -con una masa equivalente a una décima parte de la de Júpiter, según algunos cálculos recientes- puede ser capaz de crear esos huecos. Como estos planetas “superneptunianos” pueden orbitar alrededor de su estrella a una distancia mayor que la que Plutón orbita alrededor del Sol, no se pueden utilizar los métodos tradicionales de detección de exoplanetas.
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Además de los surcos, las observaciones de ALMA han mostrado otras estructuras distintas en los discos protoplanetarios, como arcos en forma de plátano o cacahuete y aglomeraciones. Se había pensado que al menos algunas de estas estructuras también estaban impulsadas por planetas.
“Algo debe estar provocando la formación de estas estructuras”, afirma en un comunicado el autor principal, el profesor Roman Rafikov, del Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica de Cambridge y del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton (Nueva Jersey). “Uno de los posibles mecanismos para producir estas estructuras -y sin duda el más intrigante- es que las partículas de polvo que vemos como arcos y cúmulos se concentran en los centros de vórtices de fluidos: esencialmente pequeños huracanes que pueden desencadenarse por una inestabilidad particular en los bordes de los huecos tallados en los discos protoplanetarios por los planetas.”
En colaboración con su estudiante de doctorado Nicolas Cimerman, Rafikov utilizó esta interpretación para desarrollar un método que permitiera acotar la masa o la edad de un planeta si se observaba un vórtice en un disco protoplanetario. Sus resultados han sido aceptados para su publicación en dos artículos independientes en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
“Es extremadamente difícil estudiar planetas pequeños que están lejos de su estrella mediante imágenes directas: sería como intentar ver una luciérnaga delante de un faro”, afirma Rafikov. “Necesitamos otros métodos diferentes para conocer estos planetas”.
Para desarrollar su método, los dos investigadores calcularon primero teóricamente el tiempo que tardaría un planeta en producir un vórtice en el disco. A continuación, utilizaron estos cálculos para restringir las propiedades de los planetas en discos con vórtices, estableciendo básicamente límites inferiores a la masa o la edad del planeta. A estas técnicas las denominan “pesaje de vórtices” y “datación de vórtices” de planetas.
Vortex weighing and dating of planets in protoplanetary discs [EPA] https://t.co/Mp1403oxcQ pic.twitter.com/zMRynT7CZ9
— arXiver (@arXiver) January 6, 2023
Cuando un planeta en crecimiento adquiere la masa suficiente, empieza a expulsar material del disco, lo que crea un hueco revelador en el disco. Cuando esto ocurre, el material del exterior del hueco se vuelve más denso que el del interior. A medida que la brecha se hace más profunda y las diferencias de densidad son mayores, puede desencadenarse una inestabilidad. Esta inestabilidad perturba el disco y puede acabar produciendo un vórtice.
“Con el tiempo, varios vórtices pueden fusionarse y convertirse en una gran estructura parecida a los arcos que hemos observado con ALMA”, explica Cimerman. Dado que los vórtices necesitan tiempo para formarse, los investigadores afirman que su método es como un reloj que puede ayudar a determinar la masa y la edad del planeta.
“Los planetas más masivos producen vórtices antes en su desarrollo debido a su mayor gravedad, por lo que podemos utilizar los vórtices para establecer algunas restricciones sobre la masa del planeta, incluso si no podemos ver el planeta directamente”, dijo Rafikov.
Utilizando diversos datos, como el espectro, la luminosidad y el movimiento, los astrónomos pueden determinar la edad aproximada de una estrella. Con esta información, los investigadores de Cambridge calcularon la masa más baja posible de un planeta que podría haber estado en órbita alrededor de la estrella desde que se formó el disco protoplanetario y fue capaz de producir un vórtice que pudo ser visto por ALMA. Esto les ayudó a poner un límite inferior a la masa del planeta sin observarlo directamente.
Al aplicar esta técnica a varios discos protoplanetarios conocidos con arcos prominentes, sugestivos de vórtices, los investigadores descubrieron que los planetas putativos que creaban estos vórtices debían tener masas de al menos varias decenas de masas terrestres, en el rango de super-Neptuno.
Emergence of vortices at the edges of planet-driven gaps in protoplanetary discs [EPA] https://t.co/fJqnlXVIzU pic.twitter.com/j1a3BH9xoa
— arXiver (@arXiver) December 7, 2022
