RESUMEN (Nov. 30, 2004): Nuevas observaciones revelan la forma en que el polvo primordial prístino se acumula para crear planetas rocosos alrededor de las estrellas. Una de las preguntas que los astrónomos quisieran responder es la abundancia de tales planetas tipo Tierra y si la formación de un sistema solar procede rutinariamente alrededor de las otras estrellas.






Basado en un informe de ESO

A partir del polvo, nace un planeta. Crédito por la imagen: NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC-Caltech)

Uno de los más controvertidos temas astrofísicos, la búsqueda de planetas tipo Tierra alrededor de otras estrellas, acaba de adquirir ímpetu a causa de nuevas observaciones de los espectros de estrellas jóvenes.

Un equipo internacional de astrónomos ha obtenido espectros infrarrojos únicos del polvo de las regiones más interiores de los discos protoplanetarios que giran alrededor de tres estrellas jóvenes, que se encuentran actualmente en un estadio posiblemente muy similar al que tuvo nuestro sistema solar al formase, hace unos 4.500 millones de años.

En un informe que presentan en el número de esta semana de la revista científica Nature, los científicos muestran que en las tres, están presentes los ingredientes correctos en el lugar correcto para comenzar la formación de planetas rocosos alrededor de ellas.

El Sol nació hace unos 4.500 millones de años, a partir de una nube fría y masiva de gas y polvo interestelar que colapsó bajo su propia gravedad. Alrededor de la joven estrella había un disco de polvo en el cual se formaron más tarde la Tierra y otros planetas, así como los cometas y los asteroides.

Esa época finalizó hace mucho tiempo, pero todavía podemos contemplar el mismo proceso observando la emisión infrarroja que nos llega de estrellas muy jóvenes y de los discos protoplanetarios de polvo que giran a su alrededor. Hasta ahora, sin embargo, los instrumentos disponibles no permitían un estudio de la distribución de los diferentes componentes del polvo en esos discos; aún los más cercanos están muy lejos como para que los mejores telescopios puedan, individualmente, resolverlos. Pero ahora, como explica Francesco Paresce, Científico de Proyecto para el Interferómetro del Observatorio Austral Europeo, “podemos combinar la luz proveniente de los grandes telescopios que estén muy separados, para obtener así una resolución angular sin precedentes. Esto nos ha permitido, por primera vez, escudriñar directamente las regiones más interiores de los discos que se encuentran alrededor de algunas estrellas jóvenes cercanas, justo en el lugar donde esperamos que se estén formando, o que se formarán muy pronto, planetas como nuestra Tierra”.

Un disco masivo de restos polvorientos formadores de planetas que rodea a la cercana estrella Fomalhaut. Cliquee aquí para una imagen mayor. Crédito: NASA / JPL-Caltech / K. Stapelfeldt (JPL)

Específicamente, las nuevas observaciones interferométricas de tres estrellas jóvenes realizadas por un equipo internacional que utilizó el poder combinado de dos telescopios de 8,2 metros separadas por cien metros, han logrado imagen de definición suficiente (unos 0,02 arcosegundos) como para medir la emisión infrarroja de la región interior de los discos que giran alrededor de las mismas (correspondiendo aproximadamente al tamaño de la órbita de la Tierra alrededor del Sol) y la emisión de la zona exterior de esos discos. Los espectros infrarrojos correspondientes han proporcionado una información crucial sobre la composición química del polvo en los discos, así como también el tamaño promedio de los gránulos.

Estas observaciones muestran que la parte interior de los discos es muy rica en gránulos de silicio cristalino (“arena”) con un diámetro promedio de aproximadamente 0,001 mm. Están formados por la coagulación de gránulos de polvo amorfos y mucho más pequeños, que eran omnipresentes en la nube interestelar que dio nacimiento a las estrellas y a sus discos.

Los cálculos en modelos muestran que los gránulos cristalinos debieron ser muy abundantes en la zona interior del disco en la época de la formación de la Tierra. De hecho, los meteoritos en nuestro sistema solar están compuestos principalmente por este tipo de silicato.

El astrónomo holandés Rens Waters, un miembro del equipo del Instituto Astronómico de la Universidad de Ámsterdam, está entusiasmado: “con todos los ingredientes en su lugar y habiendo comenzado ya la formación de gránulos más grandes a partir del polvo, la formación de trozos cada vez más grandes de roca y, finalmente, de planetas tipo Tierra a partir de estos discos, es casi inevitable”.

Transformando los granos de “arena”

Por algún tiempo se ha sabido que la mayor parte del polvo que se encuentra en los discos alrededor de las estrellas recién nacidas está compuesto de silicatos. En la nube natal este polvo es amorfo, es decir, los átomos y las moléculas que forman un gránulo de polvo están unidas de una manera caótica, y los granos son esponjosos y muy pequeños, con un tamaño típico de alrededor de 0,0001 mm. Sin embargo, cerca de la joven estrella, donde la temperatura y la densidad son más altas, las partículas de polvo del disco circum-estelar tiende a juntarse, de modo que los gránulos se vuelven más grandes. Más aún, el polvo es calentado por la radiación estelar y ésto hace que las moléculas de los gránulos se reacomoden formando patrones geométricos (cristalinos).

Algunas estimaciones sugieren que hasta un cuarto de las estrellas tiene planetas. Crédito: NASA / STScI / ESA

De este modo, el polvo de las regiones del disco que están más cercanas a la estrella se transforma prestamente, y sus gránulos pasan de “prístinos” (pequeños y amorfos) a “procesados” (más grandes y cristalinos).

Las observaciones espectrales de los gránulos de silicato en las longitudes de onda de la región medio-infrarroja (alrededor de los 10 µm) dirán si son “prístinos” o “procesados”. Las observaciones anteriores de los discos que se encontraban alrededor de estrellas jóvenes habían mostrado que estaba presente una mezcla de material prístino y procesado, pero hasta entonces había sido imposible definir dónde residían los diferentes gránulos en el disco.

Gracias a un incremento de cien veces en la resolución angular con el interferómetro (VLTI), el espectro detallado de las varias regiones de los discos protoplanetarias que orbitan las tres estrellas recién nacidas, que tienen solamente unos pocos millones de años de edad, muestra ahora que el polvo cercano a las estrellas está mucho más procesado que el de las regiones lejanas. En dos de las estrellas (HD 144432 y HD 163296) el polvo del disco interior está bastante procesado, mientras que el que se encuentra en el disco exterior es casi prístino. En la tercera estrella (HD 142527) el polvo está procesado en todo el disco. En la región central de este disco, está extremadamente procesado, consistiendo en polvo completamente cristalino.

Una conclusión importante que surge de las observaciones es, por lo tanto, que los bloques constitutivos de los planetas tipo Tierra están presentes en los discos circum-estelares desde el comienzo mismo. Esto es importante puesto que indica que los planetas de tipo terrestre (rocosos) son probablemente muy comunes en los sistemas planetarios, aún fuera del sistema solar.

Lo que vendrá

Las presentes observaciones también tienen implicaciones para el estudio de los cometas.

Escena desde una luna orbitando un planeta extra-solar en órbita alrededor de la estrella HD 70642. Crédito: David A. Hardy, astroart.org (c) pparc.ac.uk

Algunos (y quizás todos los) cometas del sistema solar contienen tanto polvo prístino (amorfo) como procesado (cristalino). Definitivamente, los cometas se formaron a grandes distancias del Sol, en las regiones exteriores del sistema solar, donde siempre ha reinado el frío. Por lo tanto no queda claro cómo pudieron llegar gránulos procesados de polvo a los cometas.

En una teoría, el polvo procesado es transportado hacia fuera del joven Sol por la turbulencia en el bastante denso disco circum-solar. Otras teorías dicen que el polvo procesado de los cometas fue producido localmente, en las regiones frías, a lo largo de un tiempo mucho mayor y quizás por ondas de choque o relámpagos en el disco, o por frecuentes colisiones entre fragmentos más grandes.

El equipo actual de astrónomos concluye ahora que la primera de las teorías es la más probable explicación para la presencia de polvo procesado en los cometas. Ésto implica también que los cometas de período largo que algunas veces nos visitan provenientes de las regiones más exteriores del nuestro sistema solar son realmente cuerpos prístinos, datando de una era en la que la Tierra y los otros planetas no se habían formado todavía.

El estudio de los cometas de este tipo, especialmente cuando se realice in-situ, proporcionará entonces un acceso directo al material original a partir del cual se formó el sistema solar.