ASTRONOMÍA. Las estrellas masivas tienen el poder de dar forma a los sistemas solares

Las estrellas masivas tienen el poder de dar forma a los sistemas solares

 

Esta imagen es una imagen del Hubble de las regiones internas de la Nebulosa de Orión, con una imagen JWST de un disco protoplanetario llamado d203-506. El disco está lo suficientemente cerca de las estrellas masivas del cúmulo del Trapecio que su radiación ultravioleta está dando forma al proceso de formación de planetas en el disco. Imagen: NASA/STSCI/RICE UNIV./CO'DELL ET AL / O. BERNÉ, I. SCHROTTER, PDRS4ALL

Las estrellas dan forma a sus sistemas solares. Es cierto para nosotros y es cierto para los demás. Pero para algunas estrellas masivas, su poder para dar forma a sistemas aún en formación es fatídico y definitivo.

05 marzo 2024.- En su juventud, las estrellas están rodeadas por una masa giratoria de gas y polvo llamada disco protoplanetario. Los planetas se forman en estos discos y el proceso puede tardar millones de años. Pero las estrellas tienen diferentes masas y diferentes emisiones de radiación que afectan cómo se forman los planetas, o si se forman en absoluto.

Una nueva investigación examina cómo la poderosa radiación ultravioleta de estrellas masivas afecta la formación de planetas en discos. El artículo de investigación es “ Un flujo de fotoevaporación impulsado por el ultravioleta lejano observado en un disco protoplanetario. Se publica en la revista Science y el autor principal es Olivier Berne del Instituto de Investigación en Astrofísica y Planetología de la Universidad de Toulouse, Francia.

La investigación analiza estrellas grandes en su primer millón de años de vida, cuando no sólo son jóvenes sino también extremadamente luminosas. Los investigadores se centraron en varias estrellas de la Nebulosa de Orión y sus guarderías estelares. Las estrellas son al menos diez veces más masivas que el Sol y 10.000 veces más luminosas. ¿Qué efecto tiene su luminosidad y toda esa radiación en los discos donde se forman los planetas?

Estas poderosas estrellas jóvenes emiten altos niveles de radiación ultravioleta lejana (FUV), que tiene el poder de eliminar masa de los discos de formación de planetas. Este poder se extiende más allá de su propio entorno inmediato, hacia los discos que rodean estrellas vecinas de baja masa.

"La mayoría de las estrellas de baja masa se forman en cúmulos estelares que también contienen estrellas masivas, que son fuentes de radiación ultravioleta lejana (FUV)", explican los investigadores. "Los modelos teóricos predicen que esta radiación FUV produce regiones de fotodisociación (PDR) en las superficies de los discos protoplanetarios alrededor de estrellas de baja masa, lo que afecta la formación de planetas dentro de los discos". Los PDR pueden abarcar varios cientos de unidades astronómicas (AU).

La Nebulosa de Orión. El Cúmulo Trapecio está arriba y a la derecha de las tres estrellas en el Cinturón de Orión en esta imagen. Las estrellas del Trapecio son las principales responsables de iluminar a Orión, y su poderosa energía FUV puede extraer gas de los discos protoplanetarios que rodean estrellas cercanas de menor masa. Imagen: NASA, ESA, M. Robberto (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial/ESA) y el equipo del Proyecto de Tesorería Orión del Telescopio Espacial Hubble, dominio público, a través de Wikimedia Commons

Los investigadores examinaron un disco protoplanetario que se encuentra dentro del alcance de estrellas energéticas y de gran masa que residen en el cúmulo del Trapecio en el corazón de la Nebulosa de Orión. Las cinco estrellas más brillantes de ese cúmulo tienen entre 15 y 30 masas solares, lo que las convierte en las principales candidatas para estudiar las PDR en los discos de formación de planetas vecinos. El PDR Orion Bar es un PDR prototípico y muy estudiado.

El disco de la imagen, d203-506, está siendo bombardeado por una intensa radiación FUV procedente de las estrellas masivas del Trapecio. La radiación FUV dispersa la materia en el disco, inhibiendo la formación de planetas. Según la investigación, es imposible que se forme un planeta con la masa de Júpiter en este disco porque la radiación está despojando de materia.

Esta figura de la investigación tiene a la izquierda una imagen óptica del Hubble. A la derecha hay una imagen JWST NIR de la misma región, incluida una vista ampliada del disco d203-506. La línea de puntos marca una característica llamada Orion Bar PDR. En la parte superior derecha de la barra, el gas está completamente ionizado y en la parte inferior izquierda, el gas es neutro. La imagen insertada más pequeña del disco muestra un punto brillante donde los chorros de la estrella incrustada envían material al espacio. Imagen: Berna et al. 2024.

"La formación de planetas está limitada por procesos que eliminan masa del disco, como la fotoevaporación", escriben los autores. "Esto ocurre cuando las capas superiores de los discos protoplanetarios se calientan mediante rayos X o fotones ultravioleta". Una vez calentado, el gas excede la velocidad de escape del disco y el gas abandona el sistema.

Después de que la radiación expulsa la masa del disco, se acumula en una envoltura difusa alrededor del disco.

Este esquema de la investigación ilustra algunas de las fuerzas involucradas en el disco de formación de planetas d203-506. Características como el punto brillante y los chorros son visibles pero no están etiquetadas en las imágenes JWST que preceden a esta. Las flechas marrones muestran que el gas es expulsado del disco por la radiación FUV, que produce la envoltura color canela alrededor del disco. El contorno naranja es el frente de disociación. Crédito de la imagen: Berna et al. 2024.

La potente radiación FUV disocia el hidrógeno molecular en hidrógeno atómico. El PDR marca la transición entre el hidrógeno molecular y atómico. A medida que el hidrógeno se convierte en hidrógeno atómico, se calienta y el calentamiento ayuda a impulsar la fotoevaporación del hidrógeno.

Cuando la estrella dentro del disco afectado es más masiva, eso ayuda a restringir la pérdida de hidrógeno del disco. Su gravedad puede ayudar al disco a retener materia, haciéndola disponible para la formación de planetas.

Todo esto se desarrolla relativamente rápido en un disco. En el disco d203-506, la estrella tiene sólo aproximadamente 0,3 masas solares. Los investigadores escriben que en sólo unos 0,13 millones de años se extraerá del disco suficiente material para impedir la formación de un planeta con la masa de Júpiter. "Esto es más rápido que incluso la formación de planetas en sus primeras etapas", escriben los investigadores.

Pero la poderosa radiación FUV y los PDR que producen hacen más que simplemente inhibir la formación de gigantes gaseosos. También dan forma a otros aspectos del futuro sistema solar. "El efecto afecta a la masa, el radio y la vida útil del disco, su evolución química y el crecimiento y migración de cualquier planeta que se forme dentro del disco", explican los autores.

Fuente: Olivier Berné et al. ,A far-ultraviolet–driven photoevaporation flow observed in a protoplanetary disk.Science383,988-992(2024).DOI:10.1126/science.adh2861