Las estrellas y los planetas están inextricablemente ligados. Se forman juntos y las estrellas determinan el destino de los planetas. Las estrellas crean los discos protoplanetarios polvorientos que dan origen a planetas de todo tipo. Y cuando una estrella muere, los planetas pueden ser destruidos, engullidos o condenados a pasar la eternidad en el frío y la oscuridad.
Existe una pregunta fundamental en este tema: ¿Cómo afecta exactamente el nacimiento, la vida y la muerte de una estrella a los planetas? Si podemos comprender esto, podremos entender cómo se formó la Tierra y cómo llegará a su fin. Por extensión, comprenderemos el nacimiento, la vida y la muerte de los exoplanetas.
Un nuevo documento técnico examina esta cuestión y describe estrategias de observación necesarias para obtener una comprensión más profunda. Se titula “Bridging stellar evolution and planet formation: from birth, to survivors of the fittest, to the second generation of planets.” Fue presentado a la iniciativa Expanding Horizons de la ESO, y la autora principal es Akke Corporaal del Observatorio Europeo Austral.
“Las estrellas y los planetas se forman, viven y evolucionan al unísono”, escriben los autores. “A lo largo de la vida de una estrella, los discos circunestelares polvorientos y los flujos estelares influyen en la evolución posterior tanto de la(s) estrella(s) como de sus planetas orbitantes.”
La mecánica del polvo juega un papel crucial en la vida de los planetas. Esto incluye cómo se mueve el polvo alrededor del disco protoplanetario a medida que se forman los planetas. También incluye cómo se mueve el polvo a medida que las estrellas envejecen y se alejan de la secuencia principal. En estos entornos, las estrellas se hinchan y liberan vientos poderosos que dan forma al polvo que las rodea. Esto incluye los vientos provenientes de las estrellas de la rama de las gigantes rojas (RGB) y las estrellas de la rama asintótica de las gigantes (AGB). También incluye los discos post-RGB y post-AGB.
This ALMA image shows the carbon monoxide emissions from dust around an AGB star. The emissions reveal important information about AGB mass loss via stellar winds. It’s possible that a second generation of planets could form from the dust in AGB winds. Image Credit: ALMA/Kim et al. 2017, Nature Astronomy.
“Los procesos físicos que ocurren en cada una de estas etapas establecen cómo se formaron, están evolucionando y eventualmente morirán el Sistema Solar y los sistemas exoplanetarios”, explican los autores.
Hace décadas, los astrónomos solo podían imaginar los tipos de telescopios que operan hoy en día. Conocemos más sobre los sistemas solares distantes, y sobre el nuestro, de lo que los astrónomos anteriores podían prever.
La astronomía ha dado grandes pasos hacia la comprensión de las estrellas, los planetas y los entornos polvorientos que ocultan los detalles de sus relaciones. ALMA nos ha brindado vistas de docenas de discos protoplanetarios. El JWST ha utilizado su visión infrarroja, capaz de penetrar el polvo, para revelar nuevas estructuras en estos discos, incluyendo anillos y brazos espirales alrededor de algunas estrellas.
Pero incluso con todo este progreso, y con más instalaciones que entran en funcionamiento para impulsar un mayor progreso, detalles importantes permanecen ocultos y seguirán estándolo. “A pesar de estos avances esperados, las instalaciones actuales y planificadas mantendrán inaccesibles ventanas clave para el procesamiento del polvo, incluyendo la formación y evolución de planetas en entornos polvorientos a lo largo del diagrama de Hertzsprung-Russell”, escriben los autores. Aspectos como el crecimiento del grano de polvo, la acumulación de polvo y las interacciones entre los planetas y sus entornos polvorientos están más allá de la resolución espacial y el alcance de las instalaciones existentes y planificadas.
El crecimiento del grano de polvo es importante porque es el vínculo entre las estrellas gaseosas y los planetas rocosos. Los discos polvorientos pueden ser entornos densos donde los granos de polvo chocan y se adhieren. Eventualmente alcanzan el tamaño de guijarros, lo que crea un problema. Experimentan una deriva radial, donde la resistencia del gas en el disco atrae los guijarros de vuelta a la estrella. Pero los guijarros pueden agruparse en zonas de alta presión en el disco, lo que les ayuda a superar la resistencia del gas y la deriva radial. Comprender exactamente cómo sucede esto es necesario para comprender las relaciones entre las estrellas, el polvo y los planetas.
“Mapear la cinemática y la formación de polvo a escalas actualmente irresolubles cerca de la estrella anfitriona es crucial para nuestra comprensión de la física del polvo, y por lo tanto, para la formación y evolución estelar y planetaria”, escriben los autores.
El polvo también actúa como un termostato en un disco polvoriento. Los granos de polvo absorben la luz ultravioleta y visible de las estrellas y la reemiten como infrarroja, cambiando la temperatura del disco. A medida que los granos de polvo se hacen más grandes, sus características cambian. Sombreado y calientan el disco de manera diferente, lo que desplaza la ubicación de la línea de congelación. Esto tiene un gran efecto en qué tipos de planetas pueden formarse y dónde pueden formarse. Tangencialmente, los granos de polvo son también donde se forman el agua y los productos químicos orgánicos, que eventualmente son absorbidos en la formación de planetas.
*This artist’s illustration shows the water frost line around a young star. The size of the dust particles in a protoplanetary disk affects the locations of the frost lines of different molecules. Image Credit: University of Hawaii Institute for Astronomy*
El polvo no es importante solo cuando se forma un sistema solar. Más adelante en su evolución, cuando las estrellas alcanzan sus etapas RGB/AGB, el polvo juega otro papel. Las gigantes rojas producen feroces vientos estelares que pueden producir otro disco polvoriento. Es posible que se formen más planetas en estos discos.
Para penetrar más profundamente en la relación entre las estrellas, el polvo y los planetas, los autores proponen un interferómetro de infrarrojo cercano (NIR) a infrarrojo medio (MIR). Tendría una resolución angular de aproximadamente 0,1 mas (miliarcosegundos). Compárelo con los 0,07 arcosegundos del JWST. De hecho, el interferómetro propuesto tendría una mejora de cinco veces en la resolución angular en comparación con los arreglos VLTI y CHARA, nuestros “ojos más agudos en el cielo”, según los autores.
“La imagen de las regiones internas (0,01 UA-10 UA) de los discos de formación de planetas y los discos post-RGB/post-AGB a escalas de 0,1 mas permitiría probar y refinar nuestra comprensión de la formación de macroestructuras y la interacción disco-planeta”, explican los autores. Desafortunadamente, las estructuras clave en los discos internos son actualmente irresolubles, incluso para los discos de formación de planetas más cercanos a solo 500 años luz de distancia. El aspecto crítico de este futuro esfuerzo de observación es resolver las estructuras polvorientas a escalas sub-UA que actualmente están fuera de alcance.
Los autores han trazado el camino a seguir en el futuro. Durante la década de 2030, instrumentos como el Extremely Large Telescope y el VLT se pueden utilizar para encontrar exoplanetas cercanos, es decir, exoplanetas no muy separados de sus estrellas. Este entorno polvoriento es crucial para comprender la relación entre las estrellas, el polvo y los planetas. Durante la década de 2040, el interferómetro infrarrojo propuesto sondearía aún más profundamente este entorno.
Hay una gran cantidad de preguntas abiertas que necesitan respuestas.
“En particular, no está claro cómo podemos relacionar las fases RGB, AGB y post-RGB/AGB en términos de física del polvo, el disco y el flujo de salida, y cómo los sistemas planetarios se forman y evolucionan en tales entornos polvorientos”, escriben los autores.
