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Imagen de ALMA del disco protoplanetario alrededor de HL Tauri. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
La formación de planetas comienza en los discos protoplanetarios mediante la acreción del núcleo, en la que la gravedad hace que las partículas del disco se adhieran unas a otras. El proceso conduce finalmente a la formación de grandes cuerpos sólidos como asteroides o planetas. Tras su nacimiento, el planeta empieza a abrir huecos en el disco protoplanetario, como los surcos de un disco de vinilo.
Además de los surcos, las observaciones de ALMA han revelado otras estructuras peculiares en los discos protoplanetarios, como cúmulos y arcos con formas parecidas a plátanos o cacahuetes. Se había supuesto que los planetas también eran responsables de impulsar al menos algunas de estas estructuras.
Algo debe estar provocando la formación de estas estructuras. Uno de los posibles mecanismos para producir estas estructuras -y sin duda el más intrigante- es que esas partículas de polvo que vemos como arcos y cúmulos se concentran en los centros de vórtices de fluidos: esencialmente pequeños huracanes que pueden desencadenarse por una inestabilidad particular en los bordes de los huecos tallados en los discos protoplanetarios por los planetas.
Investigadores de la Universidad de Cambridge y del Instituto de Estudios Avanzados han desarrollado una técnica que utiliza las observaciones de estos "huracanes" por el Atacama Large Millimeter/submillimetre Array (ALMA) para poner algunos límites a la masa y la edad de los planetas en un sistema estelar joven. Según los investigadores, estos pequeños "huracanes" pueden utilizarse para estudiar ciertos aspectos de la formación planetaria, incluso en el caso de planetas más pequeños que orbitan alrededor de su estrella a grandes distancias y están fuera del alcance de la mayoría de los telescopios.
Los dos investigadores teorizaron primero cuánto tiempo necesitaría un planeta para crear un vórtice en el disco para desarrollar su técnica. A continuación, redujeron la masa o la edad del planeta y utilizaron estos cálculos para restringir los parámetros de los planetas en discos con vórtices. Estos métodos se denominan "datación por vórtices" y "pesaje por vórtices" de los planetas.
El hueco revelador en el disco se debe a que un planeta en crecimiento empieza a expulsar material del disco una vez que ha crecido lo suficiente. Como resultado, el material del exterior del hueco se hace más denso que el del interior. A medida que la brecha se ensancha y las diferencias de densidad aumentan, puede crearse una inestabilidad. Esta inestabilidad perturba el disco, lo que puede acabar dando lugar a un vórtice.
Nicolas Cimerman, estudiante de doctorado, afirma: "Con el tiempo, múltiples vórtices pueden fusionarse, evolucionando hacia una gran estructura parecida a los arcos que hemos observado con ALMA. Dado que los vórtices necesitan tiempo para formarse, los investigadores afirman que su método es como un reloj que puede ayudar a determinar la masa y la edad del planeta."
El autor principal, el profesor Roman Rafikov, del Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica de Cambridge, dijo: "Los planetas más masivos producen vórtices antes en su desarrollo debido a su gravedad más fuerte, por lo que podemos utilizar los vórtices para poner algunas restricciones a la masa del planeta, incluso si no podemos ver el planeta directamente."
Los astrónomos pueden estimar la edad de una estrella utilizando numerosos datos, como la luminosidad, la velocidad y el espectro. Con estos conocimientos, los investigadores de Cambridge calcularon la masa del planeta más pequeño que podría haber estado en su órbita desde que se originó el disco protoplanetario y fue capaz de generar un vórtice observable por ALMA. Esto les permitió estimar la masa del planeta sin observarlo directamente.
Los científicos descubrieron que los posibles planetas responsables de estos vórtices deben tener masas de al menos varias decenas de masas terrestres, en el rango de super-Neptuno, aplicando esta técnica a varios discos protoplanetarios conocidos con arcos significativos que sugieren la existencia de vórtices.
Cimerman afirma: "En mi trabajo diario me centro a menudo en los aspectos técnicos de la realización de las simulaciones. Es emocionante cuando las cosas encajan y podemos utilizar nuestros descubrimientos teóricos para aprender sobre sistemas reales."
Rafikov afirmó: "Nuestras restricciones pueden combinarse con los límites proporcionados por otros métodos para mejorar nuestra comprensión de las características planetarias y las vías de formación de planetas en estos sistemas. Estudiando la formación de planetas en otros sistemas estelares, podremos aprender más sobre cómo evolucionó nuestro propio Sistema Solar."
Fuentes, créditos y referencias:
Nicolas P Cimerman et al, Emergence of vortices at the edges of planet-driven gaps in protoplanetary discs, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2022). DOI: 10.1093/mnras/stac3507