Webb desentraña el panqueque giratorio de los discos protoplanetarios

Astrónomos han descubierto nuevos detalles de los flujos de gas que esculpen los discos de formación de planetas y les dan forma con el tiempo, una visión de cómo probablemente se formó nuestro sistema.

Cada segundo, nacen más de 3.000 estrellas en el universo visible. Muchas están rodeadas por lo que los astrónomos llaman un disco protoplanetario, un "panqueque" giratorio de gas caliente y polvo a partir del cual se forman los planetas. Sin embargo, los procesos exactos que dan lugar a las estrellas y los sistemas planetarios aún son poco conocidos.

Utilizando el telescopio espacial Webb de la NASA/ESA/CSA, un equipo liderado por investigadores de la Universidad de Arizona 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 de planetas hacia el espacio. Estos vientos, impulsados en gran medida por campos magnéticos, pueden viajar decenas de kilómetros en apenas un segundo. Los hallazgos de los investigadores, publicados en 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 del Lunar and Planetary Laboratory (LPL) de la Universidad de Arizona, uno de los procesos más importantes que se llevan a cabo en un disco protoplanetario es la materia que la estrella absorbe del disco que la rodea, lo que se conoce como acreción.

"La forma en que una estrella acumula masa tiene una gran influencia en la forma en que el disco que la rodea evoluciona con el tiempo, incluida la forma en que se forman los planetas más adelante", dijo Pascucci. "No se han comprendido las formas específicas en que esto sucede, 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 suceda, el gas primero debe desprenderse de parte de su inercia. De lo contrario, el gas orbitaría constantemente alrededor de la estrella y nunca caería sobre ella. Los astrofísicos llaman a este proceso "pérdida de momento angular", pero no se sabe exactamente cómo ocurre.

Para entender mejor cómo funciona el momento angular en un disco protoplanetario, es útil imaginarse a una patinadora artística sobre el hielo: si mete los brazos a lo largo del cuerpo, girará más rápido, mientras que si los estira, su rotación será más lenta. Como su masa no cambia, el momento angular permanece igual.

Para que se produzca la acreción, el gas que se encuentra a lo largo del disco tiene que perder momento angular, pero a los astrofísicos les cuesta ponerse de acuerdo sobre cómo ocurre exactamente 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 él, el momento angular), lo que permite que el gas sobrante se desplace hacia el interior y, en última instancia, 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 diferentes fenómenos, ya que hay otros procesos en juego que dan forma a los discos protoplanetarios.

Mientras que el material del borde interior del disco es expulsado por el campo magnético de la estrella en lo que se conoce como viento X, las partes externas del disco son erosionadas por la intensa luz estelar, lo que da lugar a 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, realmente necesitábamos la alta sensibilidad y resolución del JWST (el telescopio espacial James Webb)", dijo Beck.

A diferencia del viento X, de enfoque estrecho, 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 lejos por encima del disco que los vientos térmicos, alcanzando distancias cientos de veces la distancia entre la Tierra y el sol.

"Nuestras observaciones sugieren firmemente que hemos obtenido las primeras imágenes de los vientos que pueden eliminar el momento angular y resolver el antiguo problema de cómo se forman las estrellas y los sistemas planetarios", dijo Pascucci.

Para su estudio, los investigadores seleccionaron cuatro sistemas de discos protoplanetarios, todos los cuales aparecen de canto cuando se los observa desde la Tierra.

"Su orientación permitió que el polvo y el gas en el disco actuaran como una máscara, bloqueando parte de la luz brillante de la estrella central, que de otro modo habría abrumado a los vientos", dijo Naman Bajaj, un estudiante de posgrado en el Laboratorio Lunar y Planetario que contribuyó al estudio.

Al ajustar los detectores del JWST a moléculas distintas en ciertos estados de transición, el equipo pudo rastrear varias capas de los vientos. Las observaciones revelaron una estructura tridimensional intrincada de un chorro central, anidado dentro de una envoltura en forma de cono de vientos que se originan a distancias de disco progresivamente mayores, similar a la estructura en capas de una cebolla.

Un nuevo hallazgo importante, según los investigadores, fue la detección consistente de un agujero central pronunciado dentro de los conos, formado por vientos moleculares en cada uno de los cuatro discos.