Utilizando el instrumento SPHERE del Very Large Telescope de la ESO, astrónomos han creado un conjunto extraordinario de imágenes que muestran discos de escombros en una amplia gama de sistemas exoplanetarios. Estas estructuras polvorientas revelan dónde orbitan cuerpos pequeños alrededor de sus estrellas y proporcionan información valiosa sobre las primeras etapas del desarrollo planetario. Gaël Chauvin (Instituto Max Planck de Astronomía), científico del proyecto SPHERE y coautor del estudio, explica: «Este conjunto de datos es un tesoro astronómico. Ofrece perspectivas excepcionales sobre las propiedades de los discos de escombros y permite deducir la presencia de cuerpos más pequeños, como asteroides y cometas, en estos sistemas, algo que es imposible observar directamente».
En nuestro propio sistema solar, una vez que miramos más allá del Sol, los planetas y los planetas enanos como Plutón, una enorme variedad de cuerpos más pequeños («menores») se hace visible. Los científicos prestan especial atención a los objetos que oscilan entre un kilómetro y varios cientos de kilómetros de tamaño. Aquellos que ocasionalmente liberan gas y polvo para formar características visibles, como una cola, se denominan cometas, mientras que aquellos que no muestran tal actividad se etiquetan como asteroides.
Estos cuerpos pequeños conservan pistas sobre los primeros días del sistema solar. Durante el largo proceso en el que los granos diminutos crecieron hasta convertirse en planetas, se formaron objetos intermedios conocidos como planetesimales. Los asteroides y los cometas son restos de esa fase de transición, planetesimales que nunca se desarrollaron en planetas de tamaño completo. En este sentido, son rastros alterados de los mismos ingredientes que una vez formaron la Tierra.
Búsqueda de cuerpos pequeños en sistemas exoplanetarios
Los astrónomos han identificado más de 6000 exoplanetas (es decir, planetas que orbitan estrellas distintas al Sol), lo que nos brinda una imagen más clara de cómo varían los sistemas planetarios en toda la galaxia. La imagen directa de estos mundos sigue siendo extremadamente difícil. Hasta ahora, se han fotografiado menos de 100 exoplanetas, e incluso los más grandes aparecen solo como puntos de luz sin características.
Este desafío se vuelve aún mayor al buscar cuerpos pequeños. Como señala el Dr. Julien Milli, astrónomo de la Universidad Grenoble Alpes y coautor del estudio: «Encontrar cualquier indicio directo de los cuerpos pequeños en un sistema planetario distante a partir de imágenes parece francamente imposible. Los otros métodos indirectos utilizados para detectar exoplanetas tampoco son de ayuda».
El polvo proporciona la clave para detectar planetesimales ocultos
El avance no proviene de los cuerpos pequeños en sí, sino del polvo creado cuando chocan. Los sistemas planetarios jóvenes son especialmente activos. Los planetesimales chocan con frecuencia entre sí, a veces fusionándose en cuerpos más grandes y a veces fragmentándose en otros más pequeños. Estos eventos liberan grandes cantidades de polvo nuevo.
La física detrás de la visibilidad del polvo es sorprendentemente intuitiva. Dividir un objeto en muchas piezas pequeñas conserva su volumen total, pero aumenta drásticamente su superficie. Por ejemplo, si un asteroide de un kilómetro de ancho se pulverizara en granos de polvo de solo un micrómetro de tamaño (una millonésima de metro), la superficie total aumentaría en un factor de mil millones. Una mayor superficie significa mucha más luz reflejada por la estrella, lo que facilita la detección del polvo. Al observar ese polvo, los astrónomos pueden inferir detalles sobre los cuerpos pequeños invisibles que lo producen.
Cómo evolucionan los discos de escombros con el tiempo
Los discos de escombros no permanecen brillantes para siempre. A medida que un sistema joven madura, las colisiones se vuelven menos frecuentes. El polvo puede ser expulsado hacia el exterior por la presión de la radiación de la estrella central, recogido por planetas o planetesimales, o en espiral hacia adentro y caer en la estrella.
Nuestro sistema solar proporciona un ejemplo tardío. Después de miles de millones de años, permanecen dos cinturones de planetesimales principales: el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter y el cinturón de Kuiper más allá de los planetas gigantes. También persiste una población de granos de polvo más pequeños, creando el polvo zodiacal. Bajo cielos especialmente oscuros, la luz solar dispersada por este polvo se puede ver poco después del atardecer o antes del amanecer como un brillo tenue llamado luz zodiacal.
Para los observadores que estudian nuestro sistema solar desde la distancia, estos restos tenues serían difíciles de detectar. Sin embargo, la nueva investigación muestra que estructuras polvorientas similares alrededor de sistemas más jóvenes deberían ser visibles durante aproximadamente los primeros 50 millones de años de la vida útil de un disco de escombros. Capturar estas imágenes es extremadamente desafiante. La tarea se ha comparado con fotografiar una fina nube de humo de cigarrillo junto a un foco de estadio cegador desde varios kilómetros de distancia. SPHERE, que comenzó a operar en uno de los Very Large Telescopes (VLT) de la ESO en la primavera de 2014, fue creado específicamente para tales situaciones.
Cómo SPHERE bloquea la luz de las estrellas para revelar características tenues
La idea fundamental detrás de SPHERE es familiar de la experiencia cotidiana. Si el Sol brilla directamente en los ojos, uno podría levantar la mano para protegerse del resplandor y ver lo que hay alrededor. SPHERE utiliza un coronógrafo para lograr el mismo efecto al obtener imágenes de exoplanetas o discos de escombros. Al insertar un pequeño disco en la trayectoria de la luz de la estrella, el instrumento bloquea la mayor parte del resplandor antes de capturar la imagen. Este método solo funciona si el sistema óptico permanece extremadamente estable y preciso.
Para mantener esta estabilidad, SPHERE se basa en una versión altamente avanzada de óptica adaptativa. La turbulencia en la atmósfera terrestre distorsiona la luz de las estrellas entrante, y SPHERE monitorea continuamente estas distorsiones y las corrige en tiempo real utilizando un espejo deformable. Un componente opcional también puede aislar la «luz polarizada», que es característica de la luz reflejada por el polvo en lugar de emitida directamente por una estrella. Este filtrado adicional mejora la capacidad de SPHERE para detectar discos de escombros tenues.
Una gran encuesta revela 51 discos de escombros en detalle
El nuevo estudio presenta un conjunto único de imágenes de discos de escombros creadas analizando la luz de las estrellas dispersada por diminutas partículas de polvo. «Para obtener esta colección, procesamos datos de observaciones de 161 estrellas jóvenes cercanas cuya emisión infrarroja indica fuertemente la presencia de un disco de escombros», dice Natalia Engler (ETH Zurich), la autora principal de la investigación. «Las imágenes resultantes muestran 51 discos de escombros con una variedad de propiedades: algunos más pequeños, otros más grandes, algunos vistos de lado y otros casi de frente, y una considerable diversidad de estructuras de disco. Cuatro de los discos nunca antes habían sido fotografiados».
Trabajar con una muestra tan grande permite encontrar patrones más amplios. El análisis reveló que las estrellas jóvenes más masivas tienden a albergar discos de escombros más masivos. Los sistemas donde el polvo se concentra más lejos de la estrella también muestran una tendencia hacia discos más masivos.
Anillos, cinturones y pistas de planetas invisibles
Uno de los aspectos más interesantes de los resultados de SPHERE es la amplia gama de estructuras dentro de los discos. Muchos muestran anillos o patrones en forma de banda, con material agrupado a distancias específicas de la estrella. Esta disposición se asemeja a nuestro propio sistema solar, donde los cuerpos pequeños se agrupan en el cinturón de asteroides (asteroides) y el cinturón de Kuiper (cometas).
Se cree que estas estructuras están moldeadas por los planetas, especialmente los grandes que despejan caminos a medida que orbitan. Algunos de los planetas responsables ya han sido detectados. En otros casos, los bordes afilados o las asimetrías en los discos sugieren fuertemente la presencia de planetas que aún no se han observado directamente. Debido a esto, la encuesta SPHERE proporciona un valioso conjunto de objetivos para las instalaciones futuras. Los instrumentos del Telescopio Espacial James Webb (JWST) y el Extremely Large Telescope (ELT) en construcción por la ESO deberían ser capaces de obtener imágenes directas de al menos algunos de los planetas que están esculpiendo estos anillos y huecos polvorientos.
Autores del estudio y detalles de la publicación
Los resultados descritos aquí se han publicado como Natalia Engler et al., «Caracterización de discos de escombros observados con SPHERE», en la revista Astronomy and Astrophysics.
Los investigadores del MPIA involucrados son Gaël Chauvin, Thomas Henning, Samantha Brown, Matthias Samland y Markus Feldt, en colaboración con Natalia Engler (ETH Zürich), Julien Milli (CNRS, IPAG, Université Grenoble Alpes), Nicole Pawellek (University of Vienna), Johan Olofsson (ESO), Anne-Lise Maire (CNRS, IPAG, Université Grenoble Alpes) y otros.
