Con ALMA encuentran nuevo material para comprender la formación de sistemas planetarios

Una vista esquemática de las proporciones de isótopos de carbono en el disco protoplanetario alrededor de la estrella TW Hydrae. La proporción de 13CO a 12CO es mayor en la región interna del disco. Crédito: NAOJ

Usando datos del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de investigación descubrió que la abundancia de diferentes especies moleculares varía significativamente alrededor del sitio donde se encuentran los planetas. Aplicando un método recientemente desarrollado, el equipo encontró diferencias significativas en la proporción de isotopologos de monóxido de carbono según la región. Esta relación ofrece a la comunidad astronómica una nueva «huella digital» para rastrear los orígenes de los materiales en el disco protoplanetario alrededor de la estrella TW Hydrae y proporciona un nuevo método para comprender dónde y cómo se crearon y transportaron los materiales del Sistema Solar y los exoplanetas.

El Sistema Solar nació hace unos 4.600 millones de años en el disco protosolar, una nube de gas y polvo que rodeaba al joven Sol. Aunque estamos empezando a comprender los procesos de formación de planetas, todavía hay muchos misterios: ¿Dónde se formaron los materiales que componen los planetas, asteroides y cometas del Sistema Solar?, ¿cómo se transportaron? La composición de isótopos (variedades de un mismo elemento con diferentes pesos atómicos) podría servir como huella para entender la formación del Sistema Solar. Por ejemplo, se sabe que el deuterio (un isótopo del hidrógeno) en el agua de la Tierra es más abundante que el valor promedio en el Universo. Además, el hielo en las nubes moleculares, donde nacen las estrellas, también tiene una mayor abundancia de deuterio. Al hacer coincidir estas dos huellas digitales, podemos inferir que parte del agua en los océanos de la Tierra proviene del hielo creado en la nube molecular donde nació el Sol.

Se han observado muchos discos protoplanetarios, es decir, discos donde sistemas planetarios se están formando. Se cree que los discos protoplanetarios son muy similares al que existía alrededor del Sol mientras se formaba el Sistema Solar. Por lo tanto, es posible que podamos comprender dónde y cómo se crearon los diversos materiales del Sistema Solar al comparar las composiciones isotópicas de los materiales que se encuentran en el Sistema Solar moderno con las que se observan en los discos alrededor de estrellas jóvenes. La composición isotópica de los materiales del Sistema Solar se ha investigado mediante el análisis de meteoritos y muestras de asteroides o cometas obtenidas por sondas como Hayabusa, operada por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón. Sin embargo, a excepción de unas pocas especies abundantes de moléculas, ha sido difícil medir las composiciones isotópicas en los discos protoplanetarios. Era imposible medir simultáneamente las abundancias de isótopos (o isotopólogos) raros y abundantes.

El equipo de investigación dirigido por Tomohiro Yoshida, estudiante de posgrado de la Universidad de Posgrados y Estudios Avanzados de Japón (Sokendai), ha desarrollado un nuevo método para medir las proporciones de isotopólogos en discos protoplanetarios utilizando una parte del espectro de radio en la que no se habían centrado previamente los estudios. Aplicaron este método a los datos de archivo de ALMA para determinar la proporción de isotopólogos de monóxido de carbono (13CO a 12CO) en el disco protoplanetario alrededor de TW Hydrae. El objeto en estudio es un disco protoplanetario relativamente antiguo. Por lo tanto, es probable que los materiales del disco estén muy evolucionados y que la proporción de isotopólogos de monóxido de carbono haya cambiado con el tiempo.

Descubrieron que la proporción de isotopólogos de monóxido de carbono es cuatro veces mayor en la región interna del disco que en la externa. Dado que el equilibrio entre 13C y 12C (proporción de isótopos de carbono) es casi uniforme en muchos objetos del Sistema Solar, el equipo esperaba que también lo sería en el disco protoplanetario. Este resultado inesperado sugiere que la proporción de isótopos de carbono, como la proporción de deuterio, puede ser una «huella digital» útil para rastrear los orígenes de los materiales. De hecho, se hanencontrado meteoritos con proporciones de isótopos de carbono que se desvían del promedio cósmico. Las observaciones recientes de atmósferas exoplanetarias también sugieren que algunos planetas tienen abundancias altas de 13CO mientras que otros tienen cantidades bajas. Hacer coincidir estas «huellas dactilares» con ubicaciones en discos protoplanetarios proporcionaría una pista para comprender los orígenes de los materiales en los cuerpos y exoplanetas del Sistema Solar.

«Vamos a investigar qué factores son responsables de estas variaciones de la proporción isotópica en el disco protoplanetario alrededor de TW Hydrae. Nuestro objetivo es explorar los orígenes materiales del Sistema Solar y los sistemas exoplanetarios comparando los resultados de muchos discos protoplanetarios, exoplanetas y meteoritos» dice Tomohiro Yoshida, autor principal de este estudio.

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