discos protoplanetarios 2º parte

Disco protoplanetario

Imagen de ALMA de un disco protoplanetario en HL Tauri.

Imagen artística de un disco protoplanetario.

Un disco protoplanetario es un disco circunestelar de material alrededor de una estrella joven, generalmente del tipo T Tauri. En ocasiones se les conoce también por la abreviatura proplyds al producirse en estos discos los procesos físicos que llevan a la formación de planetas. Los discos protoplanetarios son discos de acrecimiento alrededor de estrellas jóvenes fundamentales para comprender la formación de la estrella y de un posible sistema planetario.

Observación

Los discos son observables de forma directa como material nebuloso en determinadas longitudes de onda o como un exceso en la emisión infrarroja de la estrella central. Su tamaño suele ser de varios centenares de unidades astronómicaspudiendo alcanzar radios de hasta 1000 UA. Sus regiones centrales pueden estar a altas temperaturas calentadas por la estrella central y los procesos de acreción. Los discos protoplanetarios más jóvenes están acompañados a menudo por chorros polares por los que se escapa parte del material que fluye hacia la estrella central.

Formación

Los discos se forman en el mismo proceso de formación estelar que producen la estrella central. Una protoestrella se forma por la condensación de material procedente de una nube molecular compuesta principalmente por hidrógenomolecular fragmentada por su propia gravedad al alcanzar unas condiciones críticas de tamaño, masa o densidad. En el colapso la nube fragmentada se contrae ganando en densidad y formando una protoestrella en su centro. Sin embargo, el material exterior, obligado a conservar el momento angular del sistema, no cae directamente sobre el cuerpo central sino que es sustentado por la fuerza centrípeta asociada a su rotación. La rotación hace que el material exterior caiga sobre una región extendida en forma de disco perpendicular al eje de rotación del sistema. Los tiempos característicos de colapso son de unos 100 000 años y los discos formados pueden persistir durante 1-10 millones de años. El material del disco es acretado lentamente por la estrella central mientras que el material exterior se difunde lentamente hacia distancias mayores conservando el momento angular. El disco protoplanetario más antiguo descubierto hasta ahora podría tener 25 millones de años.

Discos circunestelares secundarios

Disco secundario de polvo alrededor del sistema AU Microscopii.

En los discos protoplanetarios se forman los sistemas planetarios. El material exterior frío se condensa en granos de hielo que pueden interaccionar entre sí agregándose y formando cuerpos progresivamente mayores hasta adquirir suficiente masa para influir gravitacionalmente las órbitas de otros cuerpos cercanos. Estos cuerpos reciben el nombre de planetesimales. En las regiones internas del sistema estelar las temperaturas son lo bastante altas como para impedir la condensación de hielos pero los mismos procesos actúan sobre materiales refractarios con temperaturas de evaporación mucho más elevadas. Las colisiones entre planetesimales pueden ser destructivas o producir cuerpos aún mayores hasta formar protoplanetas. Sin embargo las colisiones destructivas producen grandes cantidades de polvo que rodea la estrella central en un disco secundario ausente de gas y que puede persistir varios centenares de millones de años.

Todos hemos visto modelos y simulaciones de discos protoplanetarios, esas estructuras donde se supone que se forman los planetas durante la formación de los sistemas estelares. Ahora mira la siguiente imagen:

¿Otro modelo de un disco protoplanetario? Pues no. Lo que estamos viendo es nada más y nada menos que una imagen real. Y es que el observatorio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) de Chile nos ha vuelto a sorprender con una visión sin precedentes del disco protoplanetario de la joven estrella HL Tauri, situada a 450 años luz de distancia. Como comparación, echa un vistazo a esta otra imagen del disco de HL Tauri, obtenida por un observatorio mucho menos potente:

Una de las mejores imágenes de HL Tauri hasta hoy (Kwon et al.).

No hay color, ¿verdad? En la imagen del disco obtenida por ALMA se aprecian claramente una serie de huecos circulares y anillos concéntricos creados con toda probabilidad por la formación de nuevos planetas, lo que resulta toda una sorpresa si tenemos en cuenta que HL Tauri apenas tiene un millón de años. Una estrella tan joven no debería tener planetesimales en un estado de formación tan avanzado, así que es posible que nuestros modelos de formación planetaria estén equivocados y los planetas surjan antes en los discos protoplanetarios. De ser así, los datos de ALMA favorecerían el modelo de formación planetaria denominado inestabilidad gravitatoria frente al de acreción de núcleo. Lamentablemente, los planetas no pueden verse en esta imagen, aunque quizás en un futuro sean visibles a menores longitudes de onda. A partir de los datos de otros observatorios submilimétricos ya se sospechaba que HL Tauri podría tener protoplanetas a su alrededor, pero la existencia de los huecos descubiertos por ALMA son una nueva prueba realmente impresionante.

Partes del disco de HL Tauri (ALMA/ESO/NAOJ/NRAO).

Hasta el momento sólo podíamos imaginar cómo sería un disco protoplanetario en detalle, pero ahora podemos verlo. Esta imagen es una muestra del poder de la configuración del observatorio en modo de alta resolución, una configuración que se ha logrado separando las distintas antenas de ALMA hasta quince kilómetros de distancia. La resolución alcanzada es de 35 milisegundos de arco, una auténtica barbaridad. De todas formas, debemos recordar que ALMA no observa en longitudes de onda visibles, sino en la región submilimétrica del espectro. De hecho, no podemos ver el disco de HL Tauri en luz visible por encontrarse dentro de una densa nube molecular interestelar de polvo y gas denominada LD 1551.

El sistema solar a escala comparado con el disco de HL Tauri (ALMA/ESO/NAOJ/NRAO).

Imagen de la zona cortesía del telescopio espacial Hubble (NASA/ESA).

HL Tauri es conocida desde hace décadas como uno de los mejores ejemplos de estrellas recién formadas. Fue la primera estrella joven en la que se pudo observar un disco protoplanetario (a partir de las emisiones en radio de una línea del monóxido de carbono). Desde un primer momento se descubrió que el disco es inestable y está colapsando en la parte interna del mismo. HL Tauri tiene una masa de 0,55 veces la del Sol, mientras que la masa del disco es de unas 0,14 veces la solar. Pertenece a la familia de las estrellas jóvenes de tipo T Tauri y su disco protoplanetario ha protagonizado numerosos artículos científicos en los últimos veinte años. Hoy, al fin, podemos ver este enigmático disco en toda su gloria.