Imágenes de SPHERE revelan la formación de nuevos planetas en el espacio

El instrumento SPHERE, instalado en el Very Large Telescope de la ESO, capturó un conjunto extraordinario de imágenes que muestran discos de escombros en una variedad de sistemas exoplanetarios. Estas estructuras polvorientas revelaron dónde pequeños cuerpos orbitan sus estrellas, proporcionando valiosos conocimientos sobre las etapas iniciales del desarrollo planetario. Gaël Chauvin, científico del proyecto de SPHERE y coautor del estudio, destacó: "Este conjunto de datos es un tesoro astronómico. Proporciona perspectivas excepcionales sobre las propiedades de los discos de escombros y permite deducir la existencia de cuerpos más pequeños como asteroides y cometas en estos sistemas, que son imposibles de observar directamente."

En nuestro propio sistema solar, más allá del Sol y los planetas, se encuentra una enorme variedad de cuerpos menores. Los científicos prestan especial atención a objetos que van desde aproximadamente un kilómetro hasta varios cientos de kilómetros de tamaño. Aquellos que ocasionalmente liberan gas y polvo para formar características visibles como una cola se denominan cometas, mientras que los que no muestran tal actividad son clasificados como asteroides.

Estos pequeños cuerpos conservan pistas sobre los días más tempranos del sistema solar. Durante el largo proceso en el que pequeños granos crecieron hasta convertirse en planetas, se formaron objetos intermedios conocidos como planetesimales. Los asteroides y cometas son remanentes de esa fase de transición, planetesimales que nunca se desarrollaron en planetas de tamaño completo. En este sentido, son trazas (algo) alteradas de los mismos ingredientes que una vez formaron la Tierra.

La búsqueda de pequeños cuerpos en sistemas exoplanetarios

Los astrónomos han identificado más de 6000 exoplanetas, lo que nos brinda una imagen más clara de cómo varían los sistemas planetarios en toda la galaxia. Sin embargo, la obtención de imágenes directas de estos mundos sigue siendo extremadamente difícil. Hasta ahora, menos de 100 exoplanetas han sido fotografiados, y incluso los más grandes aparecen solo como puntos de luz sin características.

Este desafío se vuelve aún mayor al buscar pequeños cuerpos. Como señala Dr. Julien Milli, astrónomo de la Universidad Grenoble Alpes y coautor del estudio: "Encontrar cualquier pista directa sobre los pequeños cuerpos en un sistema planetario distante a partir de imágenes parece casi imposible. Los otros métodos indirectos utilizados para detectar exoplanetas tampoco ayudan."

El polvo como clave para detectar planetesimales ocultos

El avance no proviene de los pequeños cuerpos en sí, sino del polvo creado cuando colisionan. Los sistemas planetarios jóvenes son especialmente activos. Los planetesimales chocan frecuentemente entre sí, a veces fusionándose en cuerpos más grandes y otras veces fragmentándose en cuerpos más pequeños. Estos eventos liberan grandes cantidades de polvo fresco.

La física detrás de la visibilidad del polvo es sorprendentemente intuitiva. Al romper un objeto en muchas piezas pequeñas, se conserva su volumen total, pero se aumenta dramáticamente su área superficial. Por ejemplo, si un asteroide de un kilómetro de ancho se triturara en granos de polvo de solo un micrómetro de diámetro (un millonésimo de metro), el área superficial total aumentaría en un factor de mil millones. Más área superficial significa que se refleja mucha más luz de la estrella, lo que hace que el polvo sea más fácil de detectar. Al observar ese polvo, los astrónomos pueden inferir detalles sobre los pequeños cuerpos invisibles que lo producen.

La evolución de los discos de escombros a lo largo del tiempo

Los discos de escombros no permanecen brillantes para siempre. A medida que un sistema joven madura, las colisiones se vuelven más raras. El polvo puede ser empujado hacia afuera por la presión de radiación de la estrella central, recogido por planetas o planetesimales, o espiral hacia adentro y caer en la estrella.

El sistema solar proporciona un ejemplo de etapa tardía. Después de miles de millones de años, permanecen dos cinturones de planetesimales principales: el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter y el cinturón de Kuiper más allá de los planetas gigantes. También persiste una población de granos de polvo más pequeños, creando polvo zodiacal. Bajo cielos especialmente oscuros, la luz del sol dispersada por este polvo puede verse poco después del atardecer o antes del amanecer como un tenue resplandor llamado luz zodiacal.

Para los observadores que estudian nuestro sistema solar desde lejos, estos restos tenues serían difíciles de detectar. Sin embargo, la nueva investigación muestra que estructuras polvorientas similares alrededor de sistemas más jóvenes deberían ser visibles durante aproximadamente los primeros 50 millones de años de la vida de un disco de escombros. Capturar estas imágenes es extremadamente desafiante. La tarea se ha comparado con fotografiar una delgada nube de humo de cigarrillo junto a un deslumbrante foco de estadio desde varios kilómetros de distancia. SPHERE, que comenzó a operar en uno de los Very Large Telescopes de la ESO en la primavera de 2014, fue creado específicamente para tales situaciones.

Cómo SPHERE bloquea la luz estelar para revelar características tenues

La idea fundamental detrás de SPHERE es familiar en la experiencia cotidiana. Si el sol brilla directamente en tus ojos, podrías levantar una mano para protegerte del deslumbramiento y poder ver lo que te rodea. SPHERE utiliza un coronógrafo para lograr el mismo efecto al capturar imágenes de exoplanetas o discos de escombros. Al insertar un pequeño disco en el camino de la luz de la estrella, el instrumento bloquea la mayor parte del deslumbramiento antes de que se capture la imagen. Este método solo funciona si el sistema óptico permanece extremadamente estable y preciso.

Para mantener esta estabilidad, SPHERE se basa en una versión altamente avanzada de óptica adaptativa. La turbulencia en la atmósfera de la Tierra distorsiona la luz estelar entrante, y SPHERE monitorea continuamente estas distorsiones y las corrige en tiempo real utilizando un espejo deformable. Un componente opcional también puede aislar la "luz polarizada", que es característica de la luz reflejada por el polvo en lugar de emitida directamente por una estrella. Este filtrado adicional mejora la capacidad de SPHERE para detectar discos de escombros tenues.

Un estudio revela 51 discos de escombros en detalle nítido

El nuevo estudio presenta un conjunto único de imágenes de discos de escombros creadas al analizar la luz estelar dispersada por pequeñas partículas de polvo. "Para obtener esta colección, procesamos datos de observaciones de 161 estrellas jóvenes cercanas cuya emisión infrarroja indica fuertemente la presencia de un disco de escombros", explica Natalia Engler (ETH Zurich), autora principal de la investigación. "Las imágenes resultantes muestran 51 discos de escombros con una variedad de propiedades: algunos más pequeños, otros más grandes, algunos vistos de lado y otros casi de frente, y una considerable diversidad de estructuras de disco. Cuatro de los discos nunca habían sido fotografiados antes."

Trabajar con una muestra tan grande permite encontrar patrones más amplios. El análisis reveló que las estrellas jóvenes más masivas tienden a albergar discos de escombros más masivos. Los sistemas donde el polvo se concentra más lejos de la estrella también muestran una tendencia hacia discos más masivos.

Anillos, cinturones y pistas de planetas invisibles

Uno de los aspectos más interesantes de los resultados de SPHERE es la amplia gama de estructuras dentro de los discos. Muchos muestran anillos o patrones en bandas, con material agrupado a distancias específicas de la estrella. Esta disposición se asemeja a nuestro propio sistema solar, donde los cuerpos pequeños se agrupan en el cinturón de asteroides (asteroides) y el cinturón de Kuiper (cometas).

Se piensa que estas estructuras son moldeadas por planetas, especialmente los grandes que despejan caminos a medida que orbitan. Algunos de los planetas responsables ya han sido detectados. En otros casos, bordes afilados o asimetrías en los discos sugieren fuertemente la presencia de planetas que aún no han sido observados directamente. Debido a esto, la encuesta de SPHERE proporciona un valioso conjunto de objetivos para las próximas instalaciones. Los instrumentos en el James Webb Space Telescope (JWST) y el Extremely Large Telescope (ELT) que se está construyendo por la ESO deberían ser capaces de obtener imágenes directas de al menos algunos de los planetas que están esculpiendo estos anillos y huecos polvorientos.

Autores del estudio y detalles de la publicación

Los resultados descritos aquí han sido publicados como Natalia Engler et al., "Caracterización de discos de escombros observados con SPHERE", en la revista Astronomy and Astrophysics.

Los investigadores del MPIA involucrados son Gaël Chauvin, Thomas Henning, Samantha Brown, Matthias Samland y Markus Feldt, en colaboración con Natalia Engler (ETH Zurich), Julien Milli (CNRS, IPAG, Université Grenoble Alpes), Nicole Pawellek (Universidad de Viena), Johan Olofsson (ESO), Anne-Lise Maire (CNRS, IPAG, Université Grenoble Alpes), entre otros.

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