ALMA detecta un “movimiento” característico de la inestabilidad gravitacional en un disco de formación planetaria

ALMA/DICYT Tradicionalmente, la formación planetaria se ha descrito como un proceso “de abajo hacia arriba”, a medida que los granos de polvo se acumulan gradualmente en conglomerados más grandes a lo largo de decenas de millones de años, desde micrones hasta centímetros, metros y kilómetros. Alternativamente, otra teoría propone que los planetas pueden formarse rápidamente mediante un proceso inverso, “de arriba hacia abajo”, donde el material del disco circunestelar en los brazos espirales se fragmenta debido a la inestabilidad gravitacional.

En una poderosa combinación de técnica, instrumentación y objetivo, un equipo internacional dirigido por la astrónoma Jessica Speedie, candidata al doctorado del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Victoria (Canadá), observó el característico disco protoplanetario alrededor de AB Aurigae, encontrando evidencia observacional que coincide con la secuencia teórica alternativa “de arriba hacia abajo” de la formación planetaria.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) fue crucial para el éxito del equipo. “La sensibilidad y la resolución de alta velocidad de ALMA nos permitieron sondear el gas en las profundidades del disco y medir su movimiento con precisión. Era la única herramienta para el trabajo”, dice Speedie.

La astronomía ya ha detectado varios protoplanetas en desarrollo que se están formando actualmente en la región del disco de AB Aurigae, incluido uno que es nueve veces más masivo que Júpiter. Aparecen como cúmulos enclavados dentro de una estructura clara de brazos espirales que giran en sentido antihorario alrededor de la estrella. La estrella en sí, AB Aurigae, tiene una masa de aproximadamente 2,4 veces la de nuestro Sol y unos 4 millones de años. La edad de la estrella implica un enigma: si el proceso “de abajo hacia arriba” no ha tenido tiempo de ocurrir, entonces ¿mediante qué mecanismo se están formando los protoplanetas?

Speedie, su asesor de doctorado Ruobing Dong y su equipo se propusieron utilizar ALMA para estudiar cómo se está moviendo el gas en los enormes brazos espirales del sistema. “Los discos que son gravitacionalmente inestables deberían tener ‘movimientos’ distintivos en su campo de velocidad, a diferencia de los discos que son estables”, dice la Dra. Cassandra Hall, profesora adjunta de Astrofísica Computacional en la Universidad de Georgia y coautora de la investigación. “En 2020, realizamos algunas de las simulaciones más avanzadas del mundo para predecir la existencia de esta característica distintiva de la inestabilidad gravitacional”, dijo Hall sobre la investigación que dirigió hace cuatro años. “Estaba claro, era comprobable y daba un poco de miedo: si no lo encontrábamos, entonces algo tenía que estar muy, muy mal con nuestra comprensión de estos discos”.

Usando el radiointerferómetro ALMA (conjunto de antenas de 12 metros), Speedie trazó un mapa de la velocidad de los gases 13CO y C18O dentro de estos vastos brazos espirales alrededor de AB Aurigae y encontró evidencia clara de los “movimientos” previstos. Cristiano Longarini, investigador postdoctoral en la Universidad de Cambridge y coautor de la investigación, explica: “Los brazos espirales se forman en el disco cuando la relación de masas entre el disco y la estrella es suficientemente alta. Dentro de esos brazos, los cambios de densidad provocan cambios en la gravedad, que a su vez provocan variaciones en las velocidades del gas en el área local alrededor y dentro de los brazos. Vemos estas variaciones en la velocidad como ondulaciones”. La magnitud de estas ondulaciones de velocidad, confirmó Longarini, se puede utilizar para inferir la relación de masas entre la estrella anfitriona y el material del disco que la rodea.

“Nuestra detección de inestabilidad gravitacional en el disco alrededor de AB Aurigae es una confirmación observacional directa de esta vía 'de arriba hacia abajo' hacia la formación de planetas”, resume Speedie.

De manera similar a cómo una resonancia magnética genera imágenes del cerebro en “cortes”, las mediciones de interferometría de ALMA produjeron un “cubo de datos” rectangular tridimensional que mapeaba la velocidad y la posición del gas a lo largo de la línea de visión dentro del disco protoplanetario. Al analizar cortes estratégicamente orientados a través del cubo de datos, Speedie y su equipo pudieron identificar de manera concluyente la oscilación de velocidad reveladora que indica inestabilidad gravitacional.

“Trabajamos con una de las observaciones más profundas de ALMA tomadas con una resolución de velocidad tan alta hacia un solo disco protoplanetario hasta la fecha”, dice Speedie. “Los datos de ALMA brindan un diagnóstico claro de la inestabilidad gravitacional en acción. No conocemos ningún otro mecanismo que pueda crear la arquitectura global de estructura espiral y patrones de velocidad que observamos”. Speedie agrega en referencia a las predicciones de Hall: “Esta es una historia científica clásica de ‘lo predijimos y luego lo encontramos’. El sello distintivo de la inestabilidad gravitacional”. El uso de ALMA por parte de Speedie no terminará con esta investigación. Como parte del programa NSF-NRAO de embajadores de ALMA, Speedie se está capacitando junto a otros pares en el inicio de su carrera para compartir los recursos y capacidades de ALMA con la comunidad astronómica en general.