Utilizando el instrumento SPHERE del Very Large Telescope de ESO, los astrónomos han producido un notable conjunto de imágenes que muestran discos de desechos en una amplia gama de sistemas exoplanetarios. Estas estructuras polvorientas revelan dónde los cuerpos pequeños orbitan sus estrellas y brindan una visión poco común de las primeras etapas del desarrollo planetario. Gale Chauvin (Instituto Max Planck de Astronomía), científico del proyecto SPHERE y coautor del estudio, explicó: “Este conjunto de datos es un tesoro astronómico. Proporciona una visión excepcional de las propiedades del disco de escombros y permite que estos asteroides y cometas sean observados directamente por objetos tan pequeños como los enanos”.
En nuestro propio sistema solar, una vez que miras más allá del Sol, los planetas y los planetas enanos como Plutón, aparece a la vista una gran variedad de cuerpos pequeños (“menores”). Los científicos prestan especial atención a objetos de entre un kilómetro y cientos de kilómetros de tamaño. Aquellos que ocasionalmente liberan gas y polvo para producir características visibles como colas se llaman cometas, mientras que aquellos que no muestran tal actividad se denominan asteroides.
Estos pequeños cuerpos conservan pistas sobre los primeros días del sistema solar. Durante el largo proceso en el que pequeños granos se convierten en planetas, se forman objetos intermedios conocidos como planetesimales. Los asteroides y los cometas son restos de esa fase de transición, cuerpos planetarios que nunca se convirtieron en planetas de tamaño completo. En este sentido, son vestigios (algo) modificados de los mismos elementos que alguna vez formaron la Tierra.
Buscando cuerpos pequeños en sistemas exoplanetarios
Los astrónomos han identificado más de 6.000 exoplanetas (es decir, planetas que orbitan alrededor de estrellas distintas al Sol), lo que ofrece una imagen más clara de cómo varían los sistemas planetarios en nuestra galaxia. Representar estos mundos directamente sigue siendo extremadamente difícil. Hasta ahora se han fotografiado menos de 100 exoplanetas, e incluso los más grandes se ven sólo como puntos de luz sin rasgos distintivos.
Este desafío se vuelve aún mayor cuando se buscan cuerpos más pequeños. Astrónomo de la Universidad de Grenoble Alpes y coautor del estudio. Como señala Julien Milley: “Parece casi imposible encontrar pistas directas sobre cuerpos pequeños en sistemas planetarios distantes a partir de imágenes. Los otros métodos indirectos utilizados para detectar exoplanetas tampoco sirven de ayuda”.
El polvo proporciona la clave para identificar las criaturas de planetas ocultos
Los avances no provienen de cuerpos pequeños, sino del polvo creado durante las colisiones. Los sistemas planetarios jóvenes son particularmente activos. Las criaturas planetarias a menudo chocan entre sí, a veces fusionándose en cuerpos más grandes y otras dividiéndose en otros más pequeños. Estos eventos liberan grandes cantidades de polvo fresco.
La física detrás de la visibilidad del polvo es sorprendentemente intuitiva. Romper un objeto en muchos pedazos más pequeños preserva su volumen total, pero aumenta dramáticamente su superficie. Por ejemplo, si un asteroide de un kilómetro de ancho fuera aplastado hasta convertirlo en granos de polvo de sólo un micrómetro de diámetro (una millonésima parte de un metro), la superficie total aumentaría en un factor de mil millones. Más superficie significa más luz reflejada por 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 componen.
Cómo evoluciona el disco de escombros con el tiempo
Los discos de desechos no permanecen brillantes para siempre. A medida que un sistema joven madura, las colisiones se vuelven raras. El polvo puede ser empujado hacia afuera por la presión de la radiación de la estrella central, arrastrado por planetas o planetesimales, o en espiral hacia adentro de la estrella.
Nuestro sistema solar proporciona un último ejemplo. Miles de millones de años después, quedan dos cinturones planetarios importantes: el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter, y el cinturón de Kuiper más allá de los planetas gigantes. También persiste una población de partículas de polvo más pequeñas, que forman las columnas de polvo zodiacales. Bajo cielos especialmente oscuros, la luz solar dispersada por estas partículas de polvo se puede ver poco después del atardecer o antes del amanecer como un tenue resplandor llamado luz zodiacal.
Para los observadores que estudien nuestro sistema solar desde lejos, estos débiles restos serían difíciles de detectar. Pero una nueva investigación muestra que estructuras de polvo similares alrededor de sistemas más pequeños deberían ser visibles durante los primeros 50 millones de años de vida de un disco de escombros. Captar estas imágenes es un gran desafío. La tarea se ha comparado con fotografiar una fina nube de humo de cigarrillo junto a los focos de un estadio para ciegos a varios kilómetros de distancia. SPEAR, que comenzó a trabajar en uno de los Very Large Telescopes (VLT) de ESO en la primavera de 2014, fue diseñado especialmente para tales situaciones.
Cómo la aguja evita que la luz de las estrellas revele rasgos débiles
La idea básica detrás de ESFERA es familiar por la experiencia cotidiana. Si el sol brilla directamente sobre tus ojos, puedes levantar la mano para poder ver lo que hay a su alrededor. SPHERE utiliza un coronógrafo para lograr el mismo efecto al obtener imágenes de exoplanetas o discos de escombros. Al insertar un pequeño disco en el camino de la luz de las estrellas, el instrumento bloquea la mayor parte de la luz antes de capturar la imagen. Este método sólo funciona cuando el sistema óptico es muy estable y preciso.
Para mantener esta estabilidad, SPHERE se basa en una versión muy avanzada de óptica adaptativa. La turbulencia en la atmósfera de la Tierra distorsiona la luz entrante de las estrellas, y SPHERE monitorea continuamente estas distorsiones y las corrige en tiempo real usando un espejo deformable. Un componente opcional puede aislar la “luz polarizada”, que es la característica de la luz reflejada por el polvo en lugar de ser emitida directamente por una estrella. Este filtrado adicional mejora la capacidad de SPHERE para detectar discos de desechos oscuros.
Un importante estudio revela 51 discos de escombros con gran detalle
El nuevo estudio presenta un conjunto único de imágenes de discos de escombros obtenidas analizando la luz de las estrellas dispersada por pequeñas partículas de polvo. “Para obtener esta colección, procesamos datos de observaciones de 161 estrellas jóvenes cercanas cuya emisión infrarroja indica claramente la presencia de un disco de escombros”, dijo Natalia Engler (ETH Zurich), autora principal del estudio. “Las imágenes resultantes muestran 51 discos de escombros con diferentes características (algunos pequeños, otros grandes, algunos vistos de lado y otros casi de frente) y una variación considerable en la estructura del disco. Nunca antes se habían fotografiado cuatro discos”.
Trabajar con una muestra tan grande permite encontrar patrones amplios. El análisis mostró que las estrellas jóvenes más masivas tienden a albergar discos de escombros más masivos. Los sistemas donde el polvo se condensa lejos de la estrella tienden a tener discos más masivos.
Alusiones a anillos, cinturones y planetas invisibles.
Uno de los aspectos más fascinantes de los resultados de SPHERE es la extensa estructura dentro del disco. Aparecen varios patrones en forma de anillos o bandas con elementos agrupados a ciertas distancias de la estrella. Esta disposición es similar a nuestro propio sistema solar, donde los cuerpos más pequeños están agrupados en el cinturón de asteroides (asteroides) y el cinturón de Kuiper (cometas).
Se cree que estas estructuras están formadas por planetas, especialmente los grandes que despejan caminos a medida que orbitan. Algunos de los planetas responsables ya han sido identificados. En otros casos, los bordes afilados o las anomalías en el disco indican claramente la presencia de planetas que aún no han sido observados directamente. Por este motivo, la encuesta SPHERE proporciona un objetivo valioso para obtener beneficios futuros. Los instrumentos del Telescopio Espacial James Webb (JWST) y del Telescopio Extremadamente Grande (ELT) que está construyendo ESO deberían poder tomar imágenes directamente de al menos algunos de los planetas que están esculpiendo estos anillos y espacios polvorientos.
Detalles de los autores y publicaciones del estudio.
Los resultados aquí descritos están publicados en la revista Natalia Engler et al., “Characterization of Debris Disks Observed with Sphere”. Astronomía y Astrofísica.
MPIA Resume Archery, MPPIA, Thomas Henning, Samantha Braun, Mathias Samland y Mark Felt, en colaboración (ETH Zuror), Julien Milli (CNRS, IPAG, University Alpes), Nicolely o Venna), Nicolely o Venna), Nicolely o Venna), Annson-Lison (ETH Zuror), Julien Milli (CNRS, IPAG, University Alpes) Maire (CNRS, IPAG, University Grenble Alps) y héroes.
