La comunidad astronómica atestigua el amanecer de un nuevo sistema solar

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Un equipo internacional detectó, por primera vez, el momento preciso en que los planetas comenzaron a formarse alrededor de una estrella más allá del Sol: utilizando el telescopio ALMA, del que el Observatorio Europeo Austral (ESO) es socio, y el Telescopio Espacial James Webb, observaron la creación de las primeras motas de material formador de planetas: minerales calientes que apenas comienzan a solidificarse. Este hallazgo marca la primera vez que se identifica un sistema planetario en una etapa tan temprana de su formación y abre una ventana al pasado de nuestro propio Sistema Solar.

HOPS-315, una estrella bebé en la que un equipo de astrónomas y astrónomos detectó pruebas de las primeras etapas de la formación de planetas. La imagen fue tomada con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), del que ESO es socio. Junto con los datos del Telescopio Espacial James Webb (JWST), estas observaciones muestran que los minerales calientes están comenzando a solidificarse. En naranja vemos la distribución del monóxido de carbono, que se aleja de la estrella en un viento en forma de mariposa. En azul vemos un estrecho chorro de monóxido de silicio, que también se aleja de la estrella. Estos vientos y chorros gaseosos son comunes alrededor de estrellas bebé como HOPS-315. En conjunto, las observaciones de ALMA y James Webb Space Telescope indican que, además de estas características, también hay un disco de monóxido de silicio gaseoso alrededor de la estrella que se está condensando en silicatos sólidos, las primeras etapas de la formación planetaria. Crédito: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/M. McClure et al.

“Por primera vez, hemos identificado el momento más temprano en el que se inicia la formación de planetas alrededor de una estrella distinta de nuestro Sol”, declaró Melissa McClure, profesora de la Universidad de Leiden (Países Bajos) y autora principal del nuevo estudio, publicado hoy en Nature.

Merel van ’t Hoff, profesora de la Universidad de Purdue (EE.UU.), y coautora del estudio, compara los hallazgos con “una imagen de un Sistema Solar bebé. Vemos un sistema que se parece a cómo se veía nuestro Sistema Solar justo cuando comenzaba a formarse”.

Este sistema planetario recién nacido está emergiendo alrededor de HOPS-315, una protoestrella o estrella bebé que se encuentra a unos 1.300 años luz de la Tierra y es un análogo del nacimiento de nuestro sistema solar. Alrededor de estas estrellas bebés, a menudo la comunidad astronómica detecta discos de gas y polvo conocidos como “discos protoplanetarios”, que son los lugares de nacimiento de nuevos planetas. Aunque ya se habían visto previamente discos jóvenes que contienen planetas recién nacidos, masivos y similares a Júpiter, McClure expresó que “siempre hemos sabido que las primeras partes sólidas de los planetas, o ‘planetesimales’, deben formarse previamente, en etapas más tempranas”.

La imagen muestra chorros de monóxido de silicio (SiO) que se alejan de la estrella bebé HOPS-315. La imagen fue obtenida con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). El chorro azul se mueve hacia nosotros y el rojo se aleja. Las observaciones, tomadas con el Telescopio Espacial James Webb (JWST), muestran señales de SiO moviéndose a unos 10 km/s. Sin embargo, los chorros de SiO que se ven en esta imagen de ALMA se mueven unas 10 veces más rápido. Esto significa que el SiO de movimiento lento debe estar ubicado en un área pequeña alrededor de la estrella, aproximadamente del tamaño del cinturón de asteroides alrededor de nuestro Sol, demasiado pequeño para ser visto en esta imagen. Además, la abundancia de SiO gaseoso medida en el chorro observado con ALMA es menor de lo esperado. Dado que la composición del chorro debe ser similar a la del disco de donde emerge el chorro, esto significa que parte del SiO gaseoso presente en el disco se está condensando en material sólido. Crédito: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/M. McClure et al.

En nuestro Sistema Solar, el primer material sólido que se condensó cerca de la ubicación actual de la Tierra, alrededor del Sol, se encuentra atrapado en el interior de meteoritos antiguos. La comunidad astronómica data estas rocas primordiales para determinar cuándo comenzó a formarse nuestro Sistema Solar. Estos meteoritos están repletos de minerales cristalinos que contienen monóxido de silicio (SiO) y pueden condensarse a las temperaturas extremadamente altas que se dan en los discos planetarios jóvenes. Con el tiempo, estos sólidos recién condensados se unen, gestando ’las semillas’ para la formación de planetas a medida que ganan tamaño y masa. Los primeros planetesimales del Sistema Solar, que crecieron hasta convertirse en planetas como la Tierra o el núcleo de Júpiter, se formaron justo después de la condensación de estos minerales cristalinos.

Por primera vez estamos observando la formación elemental de un nuevo sistema solar en torno a HOPS-315. Crédito: ESO. Vídeo dirigido por: L. Shoe, M. Kornmesser. Anfitrión: S. Randall Escrito por: A. Briggs, S. Bromilow, B. Ferreira. Edición: M. Kornmesser, L. Cauldron Videografía: A. Tsaousis. Animaciones: ESO, ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/M. McClure et al. M. Kornmesser, L. Calçada, ESA, NASA, BBC, B. Tafreshi (twanight.org), Los ojos de la NASA puestos en los asteroides, Vernazza et al./Algoritmo MISTRAL (ONERA/CNRS) Música: envato Web y soporte técnico: E. Arango, R. Yumi Shida Asesor científico: P. Amico Promoción: O. Arena Lugares de rodaje: ESO Supernova (supernova.eso.org) Producido por el Observatorio Europeo Austral (ESO)

Con su descubrimiento, el equipo de investigadores encontró evidencia de estos minerales calientes que comienzan a condensarse en el disco alrededor de HOPS-315. Sus resultados muestran que el SiO está presente alrededor de la estrella bebé en su estado gaseoso, así como dentro de estos minerales cristalinos, lo que sugiere que apenas está comenzando a solidificarse. “Este proceso nunca se ha visto antes en un disco protoplanetario, ni en ningún lugar fuera de nuestro Sistema Solar”, declaró el también coautor Edwin Bergin, profesor de la Universidad de Michigan (EE. UU.).

La animación ilustra cómo el gas caliente se condensa en minerales sólidos alrededor de la estrella bebé HOPS-315. Al principio vemos moléculas de monóxido de silicio que luego se condensan en granos de polvo sólido. A continuación, el vídeo se aleja para revelar una imagen real de HOPS-315 tomada con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), del que el Observatorio Europeo Austral es socio. La imagen muestra diferentes moléculas que se alejan de la estrella: monóxido de carbono en color naranja y monóxido de silicio en color azul. Crédito: ESO/L. Calçada/ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/M. McClure et al.

Estos minerales se identificaron por primera vez utilizando el telescopio espacial James Webb, un proyecto conjunto de las agencias espaciales de Estados Unidos, Europa y Canadá. Para averiguar de dónde provenían exactamente las señales, el equipo observó el sistema con ALMA, el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, operado por ESO junto con sus socios internacionales en el desierto de Atacama, en Chile.

Con tales datos, el equipo determinó que las señales químicas provenían de una pequeña región del disco que rodea a la estrella equivalente a la órbita del cinturón de asteroides que hay alrededor del Sol. “Estamos viendo estos minerales en este sistema extrasolar en el mismo lugar en que los vemos en los asteroides del Sistema Solar”, afirmó el coautor Logan Francis, investigador postdoctoral en la Universidad de Leiden.

Fabuloso campo de estudio
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Debido a esto, el disco de HOPS-315 proporciona un maravilloso análogo para estudiar nuestra propia historia cósmica. Como dijo van ’t Hoff, “este sistema es uno de los mejores que conocemos para investigar algunos de los procesos que ocurrieron en nuestro Sistema Solar”. También proporciona a la comunidad astronómica una nueva oportunidad para estudiar la formación temprana de planetas, al actuar como un modelo de los sistemas solares recién nacidos en toda la galaxia.

En el vídeo, la tecnología digital y los datos científicos nos permiten viajar hacia HOPS-315, una estrella bebé donde un equipo ha identificado, por primera vez, gas que se condensa en minerales sólidos. Es la gestación de un nuevo sistema solar. El acercamiento se creó uniendo imágenes de diferentes telescopios, cubriendo áreas progresivamente más pequeñas del cielo. La mayor parte del vídeo muestra el cielo nocturno en luz visible y al final vemos una imagen tomada con el telescopio ALMA en longitudes de onda submilimétricas. Crédito: ESO/L. Calçada/N. Risinger (skysurvey.org)/Digitized Sky Survey 2/VISTA/ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/M. McClure et al. Music: Azul Cobalto

Elizabeth Humphreys, astrónoma de ESO y directora del Programa Europeo de ALMA (quien no participó en el estudio), afirmó que “me impresionó mucho este estudio, que revela una etapa muy temprana de la formación de planetas. Sugiere que HOPS-315 se puede utilizar para comprender cómo se formó nuestro propio Sistema Solar. Este resultado pone de relieve la fuerza combinada de JWST y ALMA para explorar discos protoplanetarios”.

El paper Refractory solid condensation detected in an embedded protoplanetary disk fue publicado en la revista Nature. Autores: M. K. McClure (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Países Bajos); M. van ’t Hoff (Departamento de Astronomía, Universidad de Michigan, Michigan, EE.UU. y Universidad de Purdue, Departamento de Física y Astronomía, Indiana, EE.UU.); L. Francis (Leiden); Edwin Bergin (Michigan); W.R. M. Rocha (Leiden); J. A. Sturm (Leiden); D. Harsono (Instituto de Astronomía, Departamento de Física, Universidad Nacional Tsing Hua, Taiwán); E. F. van Dishoeck (Leiden); J. H. Black (Universidad Tecnológica de Chalmers, Departamento de Espacio, Tierra y Medio Ambiente, Observatorio Espacial de Onsala, Suecia); J. A. Noble (Física de las Interacciones Iónicas y Moleculares, CNRS, Universidad de Aix- Marsella, Francia); D. Qasim (Instituto de Investigación del Suroeste, Texas, EE.UU.); E. Dartois (Instituto de Ciencias Moleculares de Orsay, CNRS, Universidad de Paris-Saclay, Francia).

Agradecimientos
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Este trabajo se basa parcialmente en observaciones realizadas con el JWST de la NASA/ESA/CSA. Los datos se obtuvieron del Archivo Mikulski para Telescopios Espaciales (MAST) del Instituto Científico del Telescopio Espacial, operado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, Inc., en virtud del contrato de la NASA NAS 5-03127 para el JWST. Estas observaciones están asociadas al programa n.º 1854. En este artículo se utilizan los siguientes datos de ALMA: ADSJAO.ALMA#2023.A.00009.S. ALMA es una colaboración entre ESO (en representación de sus estados miembros), NSF (EE.UU.) y NINS (Japón), junto con NRC (Canadá), MOST y ASIAA (Taiwán) y KASI (República de Corea), en cooperación con la República de Chile. El Observatorio ALMA es operado por ESO, auI/NRAO y NAOJ. El Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) es una instalación de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), operada bajo un acuerdo de cooperación con Associated Universities, Inc. E.F.v.D., L.F. y W.R.M.R. agradecen el apoyo del Consejo Europeo de Investigación (ERC) en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (convenio n.º 101019751 MOLDISK), de la subvención TOP-1 del Consejo de Investigación Holandés (NWO) 614.001.751 y de la Fundación Nacional de Investigación de Dinamarca a través del Centro de Excelencia «InterCat» (convenio n.º DNRF150). E.B. agradece el apoyo de NASA XRP #80NSSC24K0149. E.D. y J.A.N. agradecen el apoyo del Programa Nacional Francés «Physique et Chimie du Milieu Interstellaire» (PCMI) del CNRS/INSU con el INC/INP, cofinanciado por el CEA y el CNES. D.H. cuenta con el apoyo de una subvención del Centro de Informática y Computación en Astronomía (CICA), número 110J0353I9, del Ministerio de Educación de Taiwán. D.H. también agradece el apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán (subvenciones n.º NSTC111-2112-M-007-014-MY3, NSTC113-2639-M-A49-002-ASP y NSTC113-2112-M-007-027).