La galería de sistemas estelares polvorientos del Observatorio Gémini revela viveros de exoplanetas.

Esta figura muestra los anillos de polvo alrededor de estrellas jóvenes capturadas por el Sondeo de Exoplaneta Gemini Planet Imager, o GPIES. 
Los anillos muestran una diversidad de formas y tamaños, hechos más extremos por las diferentes proyecciones de los anillos en el cielo. 
Crédito imagen: UC Berkeley / Thomas Esposito
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Los astrónomos lanzaron este mes la colección más grande de imágenes nítidas y detalladas de discos de escombros alrededor de estrellas jóvenes, mostrando la gran variedad de formas y tamaños de sistemas estelares durante sus primeros años de formación de planetas. Sorprendentemente, casi todos mostraron evidencia de planetas.

Las imágenes fueron obtenidas durante un período de cuatro años por un instrumento de precisión, el Gemini Planet Imager (GPI), montado en el telescopio Gemini Sur de 8 metros en Chile. El GPI utiliza un sistema de óptica adaptativa de última generación para eliminar el desenfoque atmosférico, proporcionando las imágenes más nítidas hasta la fecha de muchos de estos discos.

Los instrumentos terrestres como el GPI, que se está actualizando para realizar observaciones similares en el cielo del norte desde el Telescopio Gemini Norte en Hawai, pueden ser una forma de detectar estrellas con discos de escombros sospechosos para determinar cuáles vale la pena apuntar por más potentes, pero caros , telescopios para encontrar planetas, en particular, planetas habitables. Varios telescopios de 20, 30 y 40 metros, como el Telescopio Gigante de Magallanes y el Telescopio Extremadamente Grande, se pondrán en línea en las próximas dos décadas, mientras que el Telescopio Espacial James Webb en órbita se lanzará en 2021.

«A menudo es más fácil detectar el disco lleno de polvo que los planetas, por lo que primero se detecta el polvo y luego sabes que tienews que apuntar el telescopio espacial James Webb o el telescopio espacial Nancy Grace Roman a esos sistemas, reduciendo la cantidad de estrellas que tienes que tamizar para encontrar estos planetas en primer lugar ”, dijo Tom Esposito, un becario postdoctoral en la Universidad de California, Berkeley.

Esposito es el primer autor de un artículo que describe los resultados que aparecieron el 15 de Junio en The Astronomical Journal .

Cinturones de cometas alrededor de otras estrellas.

Los discos de escombros en las imágenes son el equivalente al Cinturón de Kuiper en nuestro Sistema Solar, un reino gélido aproximadamente 40 veces más alejado del Sol que la Tierra, más allá de la órbita de Neptuno, y lleno de rocas, polvo y hielo que nunca se convirtieron en parte de cualquier planeta en nuestro Sistema Solar. Los cometas del Cinturón, bolas de hielo y roca, barren periódicamente el Sistema Solar Interior, ocasionalmente causando estragos en la Tierra, pero también entregan materiales relacionados con la vida como el agua, el carbono y el oxígeno.

Animación del Sistema Solar y su anillo de polvo helado, el Cinturón de Kuiper, análogos de los discos polvorientos y anillos alrededor de otras 26 estrellas jóvenes cercanas. Estas estrellas y sus discos de polvo se observaron con el Gemini Planet Imager montado en el telescopio Gemini South en Chile. 
Video cortesía de la Universidad Estatal de Arizona y el equipo del GPI.

De las 26 imágenes de discos de escombros obtenidas por el Gemini Planet Imager (GPI), 25 tenían «agujeros» alrededor de la estrella central que probablemente fueron creados por planetas que barren rocas y polvo. Siete de los 26 eran previamente desconocidos; Las imágenes anteriores de los otros 19 no eran tan nítidas como las de GPI y, a menudo, no tenían la resolución para detectar un agujero interno. El sondeo duplica el número de discos de escombros fotografiados a una resolución tan alta.

«Una de las cosas que encontramos es que estos llamados discos son realmente anillos con claros internos», dijo Esposito, quien también es investigador en el Instituto SETI en Mountain View, California. «GPI tenía una visión clara de las regiones internas cercanas a la estrella, mientras que en el pasado, las observaciones del telescopio espacial Hubble y los instrumentos más antiguos desde el suelo no podían ver lo suficientemente cerca de la estrella como para ver el agujero a su alrededor».

El GPI incorpora un coronógrafo que bloquea la luz de la estrella, lo que le permite ver tan cerca como una unidad astronómica (AU) de la estrella, o la distancia de la Tierra desde nuestro Sol: 93 millones de millas (149 millones de kilómetros).

El GPI apuntó a 104 estrellas que eran inusualmente brillantes en luz infrarroja, lo que indica que estaban rodeadas de escombros que reflejaban la luz de la estrella o calentados por la estrella. El instrumento registró luz polarizada del infrarrojo cercano dispersada por pequeñas partículas de polvo, de aproximadamente una milésima de milímetro (1 micrón) de tamaño, probablemente el resultado de colisiones entre rocas más grandes en un disco de escombros.

Seis de los 26 discos circunestelares del Sondeo Gemini Planet Imager, destacando la diversidad de formas y tamaños que estos discos pueden tomar y mostrando el alcance exterior de los sistemas estelares en sus años de formación. 
Imagen del Observatorio Internacional de Géminis, NOIRLab, NSF, AURA y Tom Esposito, UC Berkeley. Procesamiento de imágenes por Travis Recto, Universidad de Alaska Anchorage, Mahdi Zamani y Davide de Martin.

«No ha habido un sondeo sistemático de discos jóvenes de desechos de este tamaño, con el mismo instrumento, utilizando los mismos modos y métodos de observación», dijo Esposito. «Detectamos estos 26 discos de escombros con una calidad de datos muy consistente, donde realmente podemos comparar las observaciones, algo que es único en términos de sondeos de disco de escombros».

Los siete discos de escombros nunca antes fotografiados de esta manera estaban entre los 13 discos alrededor de las estrellas que se mueven juntas a través de la Vía Láctea, miembros de un grupo llamado asociación estelar Scorpius-Centaurus, que se encuentra entre 100 y 140 parsecs de la Tierra, o unos 400 años luz.

“Es como el lugar de pesca perfecto; nuestra tasa de éxito fue mucho mayor que cualquier otra cosa que hayamos hecho alguna vez «, dijo Paul Kalas, Profesor Adjunto de Astronomía de la Universidad de Berkeley y segundo autor del artículo. Debido a que los siete están alrededor de estrellas que nacieron en la misma región aproximadamente al mismo tiempo, «ese grupo en sí mismo es un mini laboratorio donde podemos comparar y contrastar las arquitecturas de muchos viveros planetarios que se desarrollan simultáneamente bajo una variedad de condiciones, algo que realmente no teníamos antes «, agregó Esposito.

De las 104 estrellas observadas, 75 no tenían un disco de un tamaño o densidad que GPI pudiera detectar, aunque bien podrían estar rodeadas de escombros de la formación del planeta. Se observó que otras tres estrellas albergan discos que pertenecen a la fase de evolución «protoplanetaria» anterior.

¿Cómo era nuestro Sistema Solar en su infancia?

La extensión de los discos de desechos variaba ampliamente, pero la mayoría oscilaba entre 20 y 100 UA. Estos fueron alrededor de estrellas que tenían edades comprendidas entre decenas de millones de años y unos pocos cientos de millones de años, un período muy dinámico para la evolución de los planetas. La mayoría eran más grandes y brillantes que el Sol.

Sus bordes cuidadosamente esculpidos sugieren la presencia de un gran planeta que está barriendo gas y polvo dentro del disco de escombros helados y rocosos, de la misma manera que Neptuno esculpe el borde interior de nuestro Cinturón de Kuiper . 
Imagen del Observatorio Internacional Géminis, NOIRLab, NSF, AURA y Tom Esposito, UC Berkeley. Procesamiento de imágenes por Travis Recto, Universidad de Alaska Anchorage, Mahdi Zamani y Davide de Martin.

La única estrella, HD 156623, que no tenía un agujero en el centro del disco de escombros fue una de las más jóvenes del grupo, lo que encaja con las teorías de cómo se forman los planetas. Inicialmente, el disco protoplanetario debería ser relativamente uniforme, pero a medida que el sistema envejece, los planetas se forman y barren la parte interna del disco.

«Cuando observamos los discos circunestelares más jóvenes, como los discos protoplanetarios que se encuentran en una fase anterior de evolución, cuando se están formando los planetas o antes de que los planetas hayan comenzado a formarse, hay mucho gas y polvo en las áreas donde encontramos estos agujeros en los discos de escombros más antiguos ”, dijo Esposito. «Algo ha eliminado ese material con el tiempo, y una de las formas en que puedes hacerlo es con los planetas».

Debido a que la luz polarizada de los discos de escombros puede decir teóricamente a los astrónomos la composición del polvo, Esposito espera refinar los modelos para predecir la composición, en particular, para detectar el agua, que se cree que es una condición para la vida.

Estudios como estos podrían ayudar a responder una pregunta persistente sobre nuestro propio Sistema Solar, dijo Kalas.

Disco circunestelar alrededor de la estrella TWA 7, uno de los 26 discos observados por el Gemini Planet Imager. 
Imagen del Observatorio Internacional Géminis, NOIRLab, NSF, AURA y Tom Esposito, UC Berkeley. Procesamiento de imágenes por Travis Recto, Universidad de Alaska Anchorage, Mahdi Zamani y Davide de Martin.

“Si retrasas el reloj de nuestro propio Sistema Solar en 4.5 mil millones de años, ¿A cuál de estos discos nos pareceríamos? ¿Eramos un anillo estrecho, o éramos una gota borrosa? él dijo. “Sería genial saber cómo nos veíamos en ese entonces para entender nuestros propios orígenes. Esa es la gran pregunta sin respuesta «.

Más de 100 investigadores han contribuido al GPI y al Sondeo GPI Exoplanet, y más de 35 estuvieron involucrados en sondeo de discos de escombros. El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation (AST-1518332), la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NNX15AC89G) y Nexus for Exoplanet System Science (NExSS), una red de coordinación de investigación patrocinada por la Dirección de Misión Científica de la NASA (NNX15AD95G). El Observatorio Gemini internacional es operado por el Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Infrarroja Óptica (NOIRLab) de NSF, una instalación de los EE. UU., Canadá, Chile, Brasil, Argentina y Corea del Sur.

Otros coautores son Michael Fitzgerald de UCLA, Gaspard Duchêne, Eugene Chiang, Ian Czekala y James Graham de UC Berkeley, los ex investigadores de UC Berkeley Robert De Rosa, Megan Ansdell y Franck Marchis, ex estudiantes graduados Marshall Perrin y Jason Wang, y ex estudiantes de pregrado Pauline Arriaga, Justin Hom y Malena Rice.

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Fuente: University of California, Berkeley (UCB).

Artículo original:

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Créditos Imagen: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), J. Tobin; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello; 
Herschel / ESA
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Los radiotelescopios ALMA y VLA se adentran en las nubes de Orión, un vivero estelar que revela cómo las estrellas recién nacidas evolucionan y desarrollan discos protoplanetarios. Investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) participan en el trabajo, que constituye el mayor muestreo de este tipo realizado hasta la fecha:

Imágenes del sistema AB Aurigae que muestran el disco a su alrededor. La imagen de la derecha, una versión ampliada de la parte central de la imagen de la izquierda, muestra la región interna del disco, incluyendo el «giro» (en amarillo muy brillante, rodeado de un círculo blanco) que los científicos creen que marca el lugar donde se está formando un planeta, (ver video). Este giro se encuentra aproximadamente a la misma distancia de la estrella AB Aurigae que Neptuno del Sol. El círculo azul representa el tamaño de la órbita de Neptuno. Las imágenes fueron obtenidas con luz polarizada con el instrumento SPHERE, instalado en el Very Large Telescope de ESO. Ver video.
Crédito: ESO/Boccaletti et al.

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