Cómo tres anillos de hierro podrían redefinir la formación de planetas

Una estructura de tres anillos en la región de formación de planetas del disco circunestelar donde los minerales y metales sirven como depósito de bloques de construcción planetarios.

Un equipo de investigación, que incluye astrónomos del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), ha descubierto una estructura de vivero planetario de tres anillos en el disco interior de formación de planetas de una estrella joven. Esta configuración sugiere dos Júpiter– Los planetas con masa se forman en los espacios entre los anillos. El análisis detallado es consistente con abundantes granos de hierro sólido que complementan la composición del polvo. Como resultado, el disco probablemente contenga minerales y metales similares a los que se encuentran en los planetas terrestres del sistema solar. Proporciona una visión de condiciones similares a las del sistema solar primitivo hace más de cuatro mil millones de años, durante la formación de planetas rocosos como Mercurio. Venusy la tierra.

Tres anillos de hierro en un disco de formación de planetas

El origen de la Tierra y del sistema solar inspira tanto a los científicos como al público en general. Al estudiar el estado actual de nuestro planeta y de otros cuerpos del sistema solar, los investigadores han desarrollado una imagen detallada de las condiciones en las que evolucionaron a partir de un disco de polvo y gas que rodeaba al sol naciente hace unos 4.500 millones de años.

Tres anillos indican dos planetas.

Gracias a los sorprendentes avances en la investigación de la formación de estrellas y planetas dirigidos a cuerpos celestes distantes, ahora podemos explorar las condiciones en los entornos que rodean a las estrellas jóvenes y compararlas con las del sistema solar primitivo. Utilizando el Observatorio Europeo Austral (Eso) Telescopio muy grande VLTI es lo que hizo un equipo internacional de investigadores dirigido por Józef Varga del Observatorio Konkoli en Budapest, Hungría. Observaron el disco de formación de planetas de la joven estrella HD 144432, a unos 500 años luz de distancia.

Una vista aérea del Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral en la cima del Cerro Paranal en el desierto de Atacama en Chile. El interferómetro VLT (VLTI) combina la luz de cuatro telescopios, lo que permite obtener imágenes de alta resolución de objetos celestes distantes. Crédito de la foto: G.Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO

«Al estudiar la distribución del polvo en la región interna del disco, descubrimos por primera vez una estructura compleja en la que el polvo se acumula en tres anillos concéntricos en un entorno de este tipo», afirma Roy van Bokel. Es científico del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania, y coautor del artículo de investigación principal publicado en la revista Astronomía y astrofísica.. «Esta región corresponde a la región donde se formaron los planetas rocosos en el sistema solar», añade Van Bokel. En comparación con el sistema solar, el primer anillo alrededor de HD 144432 está dentro de la órbita de Mercurio y el segundo está cerca de Marteun sendero. Además, el tercer anillo corresponde aproximadamente a la órbita de Júpiter.

Hasta ahora, los astrónomos han encontrado este tipo de formaciones en su mayoría a escalas mayores, que corresponden a mundos ubicados fuera del espacio. Saturno Gira alrededor del sol. Los sistemas de anillos encontrados en los discos que rodean estrellas jóvenes generalmente indican que los planetas se formaron dentro de espacios a medida que el polvo y el gas se acumulaban en su camino. Sin embargo, HD 144432 es el primer ejemplo de un sistema de anillos tan complejo tan cerca de su estrella anfitriona. Ocurre en una zona rica en polvo, que es la piedra angular de planetas rocosos como la Tierra. Suponiendo que los anillos indican la presencia de dos planetas formándose dentro de los huecos, los astrónomos han estimado que sus masas son aproximadamente similares a las de Júpiter.

Las condiciones pueden ser similares a las del sistema solar primitivo.

Los astrónomos determinaron la composición del polvo a lo largo del disco hasta su separación de la estrella central, que corresponde a la distancia de Júpiter al Sol. Lo que encontraron es muy familiar para los científicos que estudian la Tierra y los planetas rocosos del sistema solar: varios silicatos (compuestos metálicos de silicio y oxígeno) y otros minerales que se encuentran en la corteza y el manto de la Tierra, y quizás hierro metálico como el que se encuentra en Mercurio y la Tierra. Núcleos. Si se confirma, este estudio será el primero en detectar hierro en un disco de formación de planetas.

Esta ilustración es un diagrama esquemático de HD 144432 observado con VLTI. Los datos son consistentes con una estructura de tres anillos concéntricos. Los espacios entre los anillos generalmente indican que los planetas grandes se forman por acumulación de polvo y gas a lo largo de su órbita alrededor de su estrella anfitriona. Los minerales de silicato existen principalmente como cristales en la zona caliente interna. La retroalimentación de VLTI no puede limitar el disco externo frío. Crédito: © J. Varga et al. /MPIA

«Hasta ahora, los astrónomos han explicado las observaciones de discos de polvo con una mezcla de carbono y polvo de silicato, materiales que vemos en casi todas partes del universo», explica Van Bokel. Sin embargo, desde una perspectiva química, la mezcla de hierro y silicato es más aceptable en las regiones internas calientes del disco. De hecho, el modelo químico que Varga, autor principal del artículo de investigación original, aplicó a los datos produce mejores resultados cuando se introduce hierro en lugar de carbono.

Además, la temperatura del polvo observado en HD 144432 puede alcanzar los 1.800 K (unos 1.500 grados). Celsius) en el borde interior y una temperatura moderada de 300 K (unos 25 °C) en el exterior. Los metales y el hierro se funden y se condensan nuevamente, a menudo en cristales, en regiones calientes cercanas a la estrella. Por el contrario, los granos de carbono no sobrevivirán al calor y, en cambio, existirán como monóxido de carbono o dióxido de carbono. Sin embargo, el carbono aún puede ser un componente importante de las partículas sólidas en el frío disco exterior, algo que las observaciones para este estudio no pueden rastrear.

El polvo rico en hierro y pobre en carbono también se adapta bien a las condiciones del sistema solar. Mercurio y la Tierra son planetas ricos en hierro, mientras que la Tierra contiene relativamente poco carbono. «Creemos que el disco HD 144432 puede ser muy similar al sistema solar primitivo que proporcionó gran parte del hierro para los planetas rocosos que conocemos hoy», dice van Bokel. «Nuestro estudio puede ser otro ejemplo que muestra que la formación de nuestro sistema solar puede ser bastante típica».

La interferometría resuelve pequeños detalles

La recuperación de los resultados sólo fue posible mediante observaciones de resolución excepcionalmente alta, según lo proporcionado por el VLTI. Al combinar los cuatro telescopios VLT de 8,2 metros en el Observatorio Paranal del Observatorio Europeo Austral, pueden resolver detalles como si los astrónomos usaran un telescopio con un espejo primario de 200 metros. Varga, van Bokel y sus colaboradores adquirieron los datos utilizando tres instrumentos para lograr una amplia cobertura de longitud de onda de 1,6 a 13 micrómetros, que representa la luz infrarroja.

MPIA proporcionó elementos biotecnológicos para dos instrumentos, GRAVITY y el Experimento espectroscópico de infrarrojo medio de apertura múltiple (MATISSE). Uno de los principales objetivos de Mattis es estudiar las regiones rocosas de formación de planetas alrededor de estrellas jóvenes. «Al observar el interior de los discos protoplanetarios alrededor de las estrellas, pretendemos explorar el origen de los diferentes minerales contenidos en el disco, minerales que más tarde formarán los componentes sólidos de planetas como la Tierra», afirma Thomas Henning, director e investigador del MPIA. IP participante de la herramienta MATISSE.

Sin embargo, producir imágenes interferométricas como las que estamos acostumbrados a obtener con telescopios individuales no es fácil y requiere mucho tiempo. El uso más eficiente del valioso tiempo de observación para descifrar la estructura de un objeto es comparar datos escasos con modelos de posibles configuraciones de objetivos. En el caso de HD 144432, la estructura de tres anillos representa mejor los datos.

¿Qué tan comunes son los discos formadores de planetas ricos en hierro?

Además del sistema solar, HD 144432 parece ser otro ejemplo de planetas que se forman en un entorno rico en hierro. Sin embargo, los astrónomos no se quedarán ahí. «Todavía tenemos algunos candidatos prometedores esperando que el VLTI los examine más de cerca», señala Van Bokel. En observaciones anteriores, el equipo descubrió varios discos alrededor de estrellas jóvenes que indican configuraciones que vale la pena revisar. Sin embargo, revelarán su estructura y química detalladas utilizando dispositivos VLTI de última generación. Con el tiempo, los astrónomos podrán aclarar si los planetas normalmente se forman en discos de polvo ricos en hierro cerca de sus estrellas madre.

Referencia: “Evidencia en el infrarrojo medio de polvo rico en hierro en el disco multianillo interno de HD 144432” por J. Varga, LBFM Waters, M. Hogerheijde, R. van Boekel, A. Matter, B. Lopez, K. Perraut, L. Chen, D. Nadella, S. Wolf, C. Dominik, Á. Cosbal, B. Abraham, J.-C. Augereau, P. Polly, J. Bordarot, A. Carati o Jarati, F. Cruz Sáenz de Mira, W. C. Danchi, V. Gámez Rosas, Th. Henning, K.-H. Hoffmann, M. Holley, JW Isbell, W. Jaffe, T. Juhasz, V. Kekskemethy, J. Cobos, E. Kokulina, L. Labadie, F. Leco, F. Mellor, A. Moore, N. Morugao, E. Pantin, D. Schertel, M. Schick, L. Van Haester, J. Weigelt, J. Wells y B. Woytek, 8 de enero de 2024, Astronomía y astrofísica..
doi: 10.1051/0004-6361/202347535

Los investigadores del MPIA involucrados en este estudio son: Roy van Boekel, Marten Scheuck, Thomas Henning, Jacob W. Isbell, Ágnes Kóspál (también Centro de Investigación HUN-REN de Astronomía y Ciencias de la Tierra, Observatorio Konkoli, Budapest, Hungría). [Konkoly]; CSFK, Centro de Excelencia MTA, Budapest, Hungría [CSFK]; ELTE Universidad Eötvös Loránd, Budapest, Hungría [ELTE]), Alessio Carati o Garatti (también INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Nápoles, Italia).

Otros accionistas son: J. Varga (Concoli; CSFK; Observatorio de Leiden, Países Bajos). [Leiden]), LBFM Waters (Universidad de Radboud, Nimega, Países Bajos; SRON, Leiden, Países Bajos), M. Hogerheijde (Leiden; Universidad de Ámsterdam, Países Bajos) [UVA]), a. Mater (Observatoire de la Côte d'Azur/CNRS, Niza, Francia [OCA]), B. López (OCA), K. Perú (Université Grenoble Alpes/CNRS/IPAG, Francia [IPAG]), L. Chen (Konkoly; CSFK), D. Nadella (Leiden), S. Wolf (Universidad de Kiel, Alemania [UK]), C. Dominic (UVA), P. Abraham (Konkoli; CSFK; ELTE), J.-C. Augereau (IPAG), P. Boley (OCA), G. Bourdarot (Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemania), F. Cruz-Saénz de Miera (Konkoly; CSFK; Universidad de Toulouse, Francia), W. C. Danchi (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, EE.UU.), V. Gámez Rosas (Leiden), K.-H. Hoffmann (Instituto Max Planck de Radioastronomía, Bonn, Alemania) [MPIfR]), M. Houllé (OCA), W. Jaffe (Leiden), T. Juhász (Konkoly; CSFK; ELTE), V. Kecskeméthy (ELTE), J. Kobus (Reino Unido), E. Kokoulina (Universidad de Lieja, Bélgica) ; OCA), L. Labadie (Universidad de Colonia, Alemania), F. Lykou (Konkoly; CSFK), F. Millour (OCA), A. Moór (Konkoly; CSFK), N. Morujão (Universidade de Lisboa y Universidade do Oporto, Portugal), E. Pantin (AIM, CEA/CNRS, Gif-sur-Yvette, Francia), D. Schertl (MPIfR), L. van Haastere (Leiden), G. Weigelt (MPIfR), J. Woillez (Observatorio Europeo Austral, Garching, Alemania ), P. Woitke (Instituto de Investigación Espacial, Academia Austriaca de Ciencias, Graz, Austria), MATISSE y GRAVITY Collaborations