Un encuentro cercano hace más de 10.000 años provocó espirales en un disco de acreción

El Dr. Xing Lu, investigador asociado del Observatorio Astronómico de Shanghai, la Academia de Ciencias de China, junto con sus colaboradores de la Universidad de Yunnan, el Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y el Instituto Max Planck, han utilizado datos de observación de alta resolución del Atacama Large Millimeter/ Submillimeter Array (ALMA) para descubrir un disco protoestelar masivo en el Centro Galáctico. Este disco ha sido perturbado por un encuentro cercano con un objeto, lo que ha dado lugar a la formación de brazos espirales. Este hallazgo demuestra que la formación de estrellas masivas podría ser similar a la de estrellas de menor masa, a través de discos de acreción y sobrevuelos. El resultado se publicó en Nature Astronomy el 30 de Mayo.

Figura 1: Las tres gráficas que comienzan desde la parte inferior izquierda son instantáneas de la simulación numérica, que representan el sistema justo en el evento de sobrevuelo, 4000 años después y 8000 años después, respectivamente.  La imagen superior derecha es de las observaciones de ALMA, que muestra el disco con espirales y los dos objetos a su alrededor, lo que corresponde al sistema en el modelo 12 000 años después del evento de sobrevuelo. Crédito: Observatorio Astronómico de Shanghai, CAS.

Discos protoestelares y la formación de estrellas masivas

Durante la formación de las estrellas, aparecerán discos de acreción alrededor de las estrellas recién nacidas. Estos discos de acreción, también conocidos como «discos protoestelares», son un componente esencial en la formación estelar. Los discos de acreción alimentan continuamente gas a las protoestrellas desde el medio ambiente. En este sentido, son cunas estelares donde nacen y se crían las estrellas. Los discos de acreción que rodean a las protoestrellas de baja masa de tipo solar se han estudiado ampliamente en las últimas décadas, lo que ha dado lugar a una gran cantidad de logros teóricos y de observación. Sin embargo, para las protoestrellas masivas, especialmente las tempranas de tipo O de más de 30 masas solares, aún no está claro si los discos de acreción juegan un papel en su formación y cómo lo hacen. Estas estrellas masivas son mucho más luminosas que el Sol, con luminosidades intrínsecas de varios cientos de miles de veces el valor solar e impactan fuertemente el medio ambiente de toda la Galaxia. Por lo tanto, comprender la formación de estrellas masivas es de gran importancia.

El Centro Galáctico y la Formación Estelar

A una distancia de unos 26.000 años luz de nosotros, el Centro Galáctico es un entorno de formación de estrellas único e importante. El objeto más conocido aquí sería sin duda el agujero negro supermasivo Sgr A*. Aparte de eso, hay una enorme reserva de gas molecular denso, principalmente en forma de hidrógeno molecular (H2), que es la materia prima para la formación de estrellas. El gas comenzará a formar estrellas una vez que se inicie el colapso gravitacional. Sin embargo, el ambiente en el Centro Galáctico es único, con fuertes turbulencias, fuertes campos magnéticos y fuerzas de marea de Sgr A*. Por lo tanto, la formación estelar en esta región se vería sustancialmente afectada y podría presentar diferencias con respecto a las regiones de formación estelar bien estudiadas en la vecindad solar. Sin embargo, la distancia entre el Centro Galáctico y nosotros es enorme, y hay contaminaciones de primer plano complicadas. Como resultado, las observaciones directas de las regiones de formación de estrellas alrededor del Centro Galáctico han sido un desafío. Los astrónomos tienen que elegir telescopios que puedan proporcionar resoluciones muy altas y sensibilidades altas para resolver los detalles de la formación estelar en el Centro Galáctico.

Descubriendo con ALMA el primer disco protoestelar de una estrella masiva en el el centro de la Galaxia

El equipo de investigación dirigido por el Dr. Lu ha utilizado las observaciones de referencia largas del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para lograr una resolución de 40 milisegundos de arco. Con tal resolución, uno puede observar en Shanghai y detectar fácilmente una pelota de fútbol escondida en Beijing. Con estas observaciones de ALMA de alta resolución y alta sensibilidad, los investigadores descubrieron un disco de acreción en el Centro Galáctico. El disco tiene un diámetro de unas 4000 unidades astronómicas y rodea a una estrella temprana de tipo O en formación que tiene unas 32 veces la masa del Sol. Este sistema se encuentra entre las protoestrellas más masivas con discos de acreción y representa la primera imagen directa de un disco protoestelar en el Centro Galáctico. El descubrimiento sugiere que la formación de estrellas masivas de tipo O temprano pasa por una fase con discos de acreción involucrados, y tal conclusión es válida para el ambiente único del Centro Galáctico.

¡Brazos espirales en el disco! Buscando una explicación

Lo que es más interesante es que el disco muestra claramente dos brazos en espiral. Dichos brazos espirales se encuentran a menudo en las galaxias espirales, pero rara vez se ven en los discos protoestelares. Por lo general, los brazos espirales podrían emerger en discos de acreción gracias a la fragmentación inducida por inestabilidades gravitatorias. Sin embargo, el disco descubierto en esta investigación es caliente y turbulento, por lo que es capaz de equilibrar su propia gravedad. Como tal, los investigadores propusieron una explicación alternativa: las espirales son inducidas por perturbaciones externas. 

Los investigadores detectan un objeto de aproximadamente 3 masas solares a varios miles de unidades astronómicas de distancia del disco, lo que podría ser la fuente de las perturbaciones externas. Para verificar esta proposición, los investigadores examinaron varias docenas de posibles órbitas de este objeto utilizando cálculos analíticos, y descubrieron que solo una de estas órbitas es capaz de perturbar el disco. Luego, llevaron a cabo una simulación numérica en la plataforma de supercomputación de alto rendimiento del Observatorio Astronómico de Shanghái, para rastrear la trayectoria del objeto intruso, y reprodujeron con éxito toda la historia del objeto que volaba por el disco hace más de 10.000 años y despertaba espirales en él (Figura 1). Vale la pena señalar que tales simulaciones requieren mucho tiempo y tardan hasta una semana en completarse. Sin embargo, los investigadores habían encontrado la única órbita adecuada a través de soluciones analíticas y, por lo tanto, no tuvieron que intentar diferentes condiciones físicas de un lado a otro, sino que simplemente realizaron una simulación y obtuvieron la solución de una sola vez, lo cual es un enfoque eficiente.

Conclusiones y acciones futuras

En conclusión, la buena combinación entre los cálculos analíticos, la simulación numérica y las observaciones de ALMA proporcionan evidencia sólida de que los brazos espirales en el disco son reliquias del sobrevuelo del objeto intruso.


Este hallazgo demuestra claramente que los discos de acreción en las primeras etapas evolutivas de la formación estelar están sujetos a procesos dinámicos frecuentes, como sobrevuelos, que influirían sustancialmente en la formación de estrellas y planetas. Como tal, uno no puede considerar los discos de acreción como sistemas aislados al estudiar su evolución, sino que debe tener en cuenta las interacciones dinámicas.

Es interesante notar que los sobrevuelos también pueden haber tenido lugar en nuestro propio Sistema Solar: un sistema estelar binario llamado estrella de Scholz sobrevoló el Sistema Solar hace unos 70.000 años, probablemente penetrando a través de la nube de Oort y enviando cometas al Sistema Solar Interior. El estudio actual sugiere que para estrellas más masivas, especialmente en el entorno de alta densidad estelar alrededor del Centro Galáctico, tales sobrevuelos también deberían ser frecuentes. “La formación de esta protoestrella masiva es similar a la de sus primos de menor masa como el Sol, con discos de acreción y eventos de sobrevuelo involucrados. Aunque las masas estelares son diferentes, ciertos mecanismos físicos en la formación de estrellas podrían ser los mismos. Esto proporciona pistas importantes para resolver el misterio de la formación de estrellas masivas”, dice el Dr. Lu. «Hemos presentado nuevas solicitudes para observar con ALMA para mejorar aún más la resolución en un factor de tres, lo que llevará a ALMA a su límite, a fin de reconocer detalles más finos en este disco de acreción único».

Fuente: Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, (CAS).

Artículo original: A close encounter more than 10,000 years ago stirred up spirals in an accretion disk‘. May 30, 2022.

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