IRS 63: ¿Qué tan rápido se forman los planetas?

Estoy sorprendido por los hallazgos en un nuevo artículo de Dominique Segura-Cox (Instituto Max Planck de Física Extraterrestre). Ella sostiene, con base en la evidencia de un sistema infantil, que podemos tener una formación planetaria completamente incorrecta, al menos en términos de cuándo ocurre. La suposición natural es que la estrella aparece primero, luego los planetas acumulan masa desde el interior del disco circunestelar. Pero Segura-Cox y su equipo han encontrado un sistema en el que el planeta y la estrella parecen formarse casi simultáneamente. IRS 63 es una protoestrella a unos 470 años luz de distancia que tiene menos de medio millón de años. Envuelta en gas y polvo, la estrella todavía está acumulando masa, pero la evidencia del disco sugiere que los planetas ya han comenzado a formarse.

Una de las razones del factor sorpresa aquí es que hemos analizado muchos sistemas estelares jóvenes y sus discos. La mayoría de ellos tiene al menos un millón de años de antigüedad. La suposición ha sido que las estrellas estaban muy avanzadas en su propio proceso de formación antes que los planetas comenzaron a construirse. Ian Stephens (Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian), coautor de este artículo, es bastante claro al respecto Dijo: “Tradicionalmente se pensaba que una estrella realiza la mayor parte de su formación antes de que se formen los planetas. Pero nuestras observaciones mostraron que se forman simultáneamente».

Imagen : La densa región L1709 de la Nube Molecular de Ophiuchus, mapeada por el Telescopio Espacial Herschel. La región rodea y alimenta material al disco de formación de planetas de la protoestrella IRS 63 mucho más pequeño (señalado por la cruz negra).
Crédito: MPE / D. Segura-Cox; Datos de Herschel de ESA / Herschel / SPIRE / PACS / D.  Arzoumanian.

¿Planetas y estrellas anfitrionas como hermanos? 

Cuesta un poco acostumbrarse, pero el equipo de Segura-Cox está encontrando huecos y anillos. Los anillos que acumulan polvo adecuado para la formación de planetas, dentro del disco IRS 63. El documento resume las observaciones anteriores del disco en otras estrellas. En ellos, los huecos y anillos encontrados en los discos generalmente han aparecido en los llamados discos de Clase II. Son los que tienen edades de un millón de años o más. ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimeter Array) ha detectado más de 35 de estos, con espacios que muestran poca o ninguna emisión de polvo. Es un hecho generalmente explicado por la presencia de un objeto de masa planetaria que da forma al polvo en anillos.

Al incluir el IRS 63 en esta imagen, obtenemos esto:

Estos resultados indican que la formación de planetas debe ser eficiente y estar bien encaminada para la fase de clase II. Las recientes mediciones de la masa de polvo de los discos de clase II también indican que el agotamiento del polvo observado tiene una explicación. Podría explicarse si se bloquea una masa sustancial en planetesimales, en escalas de tiempo inferiores a 0,1-1 Myr. Esto coloca entonces la formación de planetas temprano, en la fase de clase I más joven y posiblemente incluso antes. Podemos hacer una comparación con los anillos y espacios que se encuentran en los discos más antiguos de los objetos de clase II. Vemos así, que las subestructuras anulares en el disco más joven del IRS 63 tienen emisión de polvo incluso en los espacios G1 y G2. Además son más anchas y tienen un contraste más bajo. En IRS 63, no está claro si cuerpos de masa planetaria considerables están creando estas brechas.

Los planetas comienzan a formarse en las primeras etapas del crecimiento de las estrellas

Stephens estima que los planetas comienzan a formarse ya en los primeros 150.000 años de formación de un sistema. Esto es en las primeras etapas del crecimiento de las estrellas. Supongamos que cada uno de los huecos en IRS 63 es abierto por un solo planeta. Entonces los autores estiman que el primer hueco (G1) requeriría un planeta de 0,47 de la masa de Júpiter. Mientras que el segundo hueco (G2) exige 0,31 de la masa de Júpiter, siendo ambos números límites superiores. 

Imagen : La imagen de ALMA de los anillos de polvo formadores de planetas que rodean a la protoestrella IRS 63, que tiene menos de 500.000 años. 
Crédito: MPE / D. Segura-Cox.

Júpiter es un mundo interesante en este tipo de escenario.

El documento señala que Júpiter es un mundo interesante en este tipo de escenario. El disco en IRS 63 es similar en tamaño a nuestro propio Sistema Solar, y la masa de la protoestrella no está muy lejos de la del Sol. Esta formación temprana implica un nuevo planeta distante que migra a su posición actual:

Consideremos el modelo de acreción de núcleo de formación de planetas gigantes gaseosos. Según él, un embrión planetario hecho de sólidos desencadena la acreción descontrolada de material gaseoso, cuando alcanza la masa crítica de 10 Masas terrestres. Esta condición se cumple fácilmente en el disco IRS 63 joven. Incluso para una eficiencia algo baja (<10%) de formación de núcleos a partir de los granos de polvo disponibles. Una gran masa de polvo existe en el disco de polvo exterior. Además los anillos de IRS 63 tienen radios de 27 y 51 au. Todo esto es consistente con la evidencia de que el núcleo de Júpiter podría haberse formado más allá de 30 au en nuestro Sistema Solar. Luego migró hacia adentro. Los núcleos de planetas gigantes a menudo pueden formarse en las regiones exteriores de grandes discos a partir de las primeras fases de formación estelar.

Imagen : Los anillos y espacios en el disco de polvo del IRS 63 comparados con un bosquejo de las órbitas de nuestro propio Sistema Solar. Imagen realizada a la misma escala y orientación del disco del sistema IRS 63. Las ubicaciones de los anillos son similares a las ubicaciones de los objetos en nuestro Sistema Solar. El anillo interior es del tamaño de la órbita de Neptuno y el anillo exterior un poco más grande que la órbita de Plutón.
Crédito: MPE / D. Segura-Cox.

La formación de planetas a grandes distancias de su estrella

En IRS 63, encontraron que una masa de polvo de alrededor de 0,5 masas de Júpiter está disponible a distancias superiores a 20 AU. Existen allí también cantidades de gas no especificadas. La formación de planetas a grandes distancias de la estrella podría involucrar material sólido con un total de al menos 0.03 masas de Júpiter. De este modo se forma el tipo de núcleo planetario que puede acumular gas e hincharse hasta convertirse en un planeta gigante gaseoso.

El paper es: Segura-Cox, et al., “Four annular structures in a protostellar disk less than 500,000 years old”. Nature Vol. 586 (7 October 2020), pp. 228–231 (abstract).

Fuente: Centaury Dreams.

Artículo original: «IRS 63: How Quickly Do Planets Form?« Paul Gilster. October 13, 2020.

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Un ejemplo explicado y bien ilustrado, analizando la imagen de un disco protoplantario, el del sistema AS209, se encuetra en el artículo siguiente.

Curiosidades

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