Una colaboración internacional de científicos que utilizan el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) ha completado el mapeo de composición química más extenso de los discos protoplanetarios alrededor de cinco estrellas jóvenes cercanas en alta resolución, produciendo imágenes que capturan la composición molecular asociada con los nacimientos planetarios, y una hoja de ruta para futuros estudios sobre la composición de las regiones de formación de planetas y cometas. El nuevo estudio revela pistas sobre el papel de las moléculas en la formación del sistema planetario y si estos jóvenes sistemas planetarios en formación tienen lo que se necesita para albergar vida. Los resultados del programa, apropiadamente llamado MAPS, o Moléculas con ALMA en Escalas de formación de planetas, aparecerán en una próxima edición especial de 20 artículos de La serie de suplementos de revistas astrofísicas .
Los planetas se forman en los discos de polvo y gas, también llamados discos protoplanetarios, que rodean a las estrellas jóvenes. La composición química de estos discos, o las moléculas contenidas en ellos, puede tener un impacto en los planetas mismos, incluido cómo y dónde ocurre la formación planetaria, la composición química de los planetas y si esos planetas tienen la composición orgánica necesaria para sustentar la vida. MAPS observó específicamente los discos protoplanetarios que rodean a las estrellas jóvenes IM Lup, GM Aur, AS 209, HD 163296 y MWC 480, donde ya se ha detectado evidencia de formación planetaria en curso. El proyecto condujo a múltiples descubrimientos interesantes, incluido un vínculo entre el polvo y las subestructuras químicas y la presencia de grandes depósitos de moléculas orgánicas en las regiones del disco interno de las estrellas.
“Con ALMA pudimos ver cómo se distribuyen las moléculas donde los exoplanetas se están ensamblando actualmente”, dijo Karin Öberg, astrónoma del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian (CfA) y el investigador principal de MAPS. «Una de las cosas realmente emocionantes que vimos es que los discos de formación de planetas alrededor de estas cinco estrellas jóvenes son fábricas de una clase especial de moléculas orgánicas, los llamados nitrilos, que están implicados en los orígenes de la vida aquí en la Tierra».
A lo largo del proyecto se observaron moléculas orgánicas simples como HCN, C 2 H y H 2 CO con un detalle sin precedentes, gracias a la sensibilidad y el poder de resolución de los receptores Band 3 y Band 6 de ALMA. “En particular, pudimos observar la cantidad de pequeñas moléculas orgánicas en las regiones internas de los discos, donde es probable que los planetas rocosos se estén reuniendo”, dijo Viviana V. Guzmán, astrónoma del Instituto de Astrofísica de la Pontificia Universidad Católica de Chile, autora principal en MAPS VI y un co-investigador principal de MAPS. «Estamos descubriendo que nuestro propio Sistema Solar no es particularmente único, y que otros sistemas planetarios alrededor de otras estrellas tienen suficientes ingredientes básicos para formar los componentes básicos de la vida».
Los científicos también observaron moléculas orgánicas más complejas como HC 3 N, CH 3 CN y c- C 3 H 2, en particular las que contienen carbono y, por lo tanto, es más probable que actúen como materia prima de moléculas prebióticas más grandes.. Aunque estas moléculas se han detectado antes en discos protoplanetarios, MAPS es el primer estudio sistemático en múltiples discos con una resolución y sensibilidad espacial muy alta, y el primer estudio para encontrar las moléculas a escalas pequeñas y en cantidades tan significativas. «Encontramos más moléculas orgánicas grandes de lo esperado, un factor de 10 a 100 más, ubicadas en los discos internos a escalas del Sistema Solar, y su química parece similar a la de los cometas del Sistema Solar», dijo John Ilee, un astrónomo de la Universidad de Leeds y autor principal de MAPS IX. “La presencia de estas grandes moléculas orgánicas es significativa porque son los trampolines entre las moléculas más simples basadas en carbono, como el monóxido de carbono, que se encuentra en abundancia en el espacio, y las moléculas más complejas que se requieren para crear y mantener la vida.
Sin embargo, las moléculas no se distribuyen uniformemente a través de los discos de formación de planetas, como se evidencia en MAPS III y IV, que revelaron que si bien las composiciones generales de los discos parecen ser similares al Sistema Solar, hacer zoom a alta resolución revela cierta diversidad en la composición que podría resultar en diferencias de planeta a planeta. “El gas molecular en los discos protoplanetarios se encuentra a menudo en conjuntos de anillos y huecos distintos”, dijo Charles Law, astrónomo de CfA y autor principal de MAPS III y IV. “Pero el mismo disco observado en diferentes líneas de emisión molecular a menudo se ve completamente diferente, y cada disco tiene múltiples caras moleculares. Esto también significa que los planetas en diferentes discos o incluso en el mismo disco en diferentes ubicaciones pueden formarse en entornos químicos radicalmente diferentes.
Uno de esos entornos radicalmente diferentes ocurre en el espacio que rodea a los planetas similares a Júpiter, donde los científicos encontraron que el gas es pobre en carbono, oxígeno y elementos más pesados, mientras que es rico en hidrocarburos, como el metano. «La química que se ve en los discos protoplanetarios debería heredarse mediante la formación de planetas», dijo Arthur Bosman, astrónomo de la Universidad de Michigan y autor principal de MAPS VII. «Nuestros hallazgos sugieren que muchos gigantes gaseosos pueden formarse con atmósferas extremadamente pobres en oxígeno (ricas en carbono), desafiando las expectativas actuales de la composición de los planetas».
En conjunto, MAPS proporciona exactamente eso: un mapa para que los científicos lo sigan, conectando los puntos entre el gas y el polvo en un disco protoplanetario y los planetas que eventualmente se forman a partir de ellos para crear un sistema planetario. «La composición de un planeta es un registro de la ubicación en el disco en el que se formó», dijo Bosman. «Conectar la composición del planeta y el disco nos permite mirar la historia de un planeta y nos ayuda a comprender las fuerzas que lo formaron».
Joe Pesce, astrónomo y oficial del programa ALMA de la National Science Foundation (NSF), señala que “si existe vida más allá de la Tierra es una de las cuestiones fundamentales de la humanidad. Ahora sabemos que los planetas se encuentran en todas partes, y el siguiente paso es determinar si tienen las condiciones necesarias para la vida tal como la conocemos (y qué tan común podría ser esa situación). El programa MAPS nos ayudará a responder mejor a estas preguntas. La búsqueda de ALMA de precursores de vida lejos de la Tierra complementa los estudios realizados en laboratorios y en lugares como las fuentes hidrotermales de la Tierra ”.
Öberg agregó: “MAPS es la culminación de décadas de trabajo sobre la química de los discos que forman planetas por parte de científicos que utilizan ALMA y sus precursores. Aunque MAPS ha examinado solo cinco discos en este momento, no teníamos idea de cuán químicamente complejos y visualmente impresionantes eran estos discos hasta ahora. MAPS ha respondido por primera vez preguntas que no podríamos haber imaginado hacer hace décadas, y también nos ha presentado muchas más preguntas para responder «.
Fuente ALMA
