El impacto del gas en los granos de polvo de los discos de escombros

Un grupo internacional de astrofísicos, liderados por Johan Olofsson, investigador del NPF, concluyó que  la presencia de gas en estos discos afecta a la dinámica de la mayoría de los granos, especialmente a los más pequeños.

Los principales componentes de los discos de escombros, análogos jóvenes al cinturón de Kuiper en el Sistema Solar, son unos cuerpos del tamaño de un kilómetro conocidos como planetesimales. Estos objetos chocan entre sí y liberan una gran cantidad de pequeños granos de polvo. Gracias a investigaciones, también sabemos que algunos de estos discos contienen algo de gas, cuyo origen no es siempre claro.

Estos discos de escombros no son perfectamente planos, y tienen una altura vertical no despreciable. Recientemente, un equipo internacional de astrofísicos dirigido por Johan Olofsson, investigador asociado del Núcleo Milenio de Formación Planetaria (NPF), estudió la estructura vertical de estos discos de escombros para investigar cómo se modifica cuando hay gas en el sistema.

En el estudio, publicado en la prestigiosa revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, también participaron Amelia Bayo, directora del NPF; Nicolás Godoy, estudiante de doctorado y miembro del centro; Karina Mauco, investigadora postdoctoral; y Matias Montesinos, investigador adjunto. 

La investigación constó de dos partes. En la primera se analizaron observaciones de ocho discos que estuviesen orientados de lado respecto de un observador en la Tierra, para restringir el espesor vertical y utilizar modelos para intentar reproducir la geometría observada. En la segunda, se utilizaron simulaciones para cuantificar el impacto que el gas puede tener sobre las partículas de polvo. Una vez terminada la simulación, se realizaron imágenes de los discos de escombros simulando observaciones con el instrumento SPHERE del Very Large Telescope en Paranal o con el interferómetro ALMA en el desierto de Atacama.

Los principales resultados de esta investigación son que la presencia de gas en un disco de escombros afecta a la dinámica de la mayoría de los granos, pero especialmente a los de tamaño pequeño e intermedio, entre ~1 y 20 micrones, más pequeño que el ancho de un cabello. “Estos granos derivarán hacia el exterior porque son empujados tanto por la presión de la radiación de la estrella central como por el arrastre del gas.  En resumen, la luz de la estrella empuja hacia atrás los granos de polvo.  Además, su altitud en la dirección vertical también disminuirá debido al efecto del gas”, indica Olofsson, quien también lidera el grupo Max Planck MPIA-UV Tandem y es miembro del Instituto de Física y Astronomía de la Universidad de Valparaíso.

El astrofísico agrega que, en el caso de los granos más grandes, con tamaños de 100 a 500 micras, el efecto de ambos, la presión de radiación y el arrastre del gas, son menores.  “El efecto de la interacción con el gas tarda más tiempo en ser significativo, así que esos granos no migrarán muy lejos y serán destruidos por colisiones antes de que su altitud pueda disminuir significativamente. En las simulaciones con una masa de gas elevada, los granos se desplazaron hacia el exterior de forma más eficiente, incluidos los granos grandes. Al encontrarse lejos del lugar donde fueron liberados, pueden sobrevivir más tiempo y su altitud puede disminuir”, explica.

Para Olofsson, este es un resultado interesante porque podría ayudar a entender mejor el origen de este gas. “No estamos del todo seguros de si el gas en el disco de escombros es de origen primordial o de origen secundario. En el primero, se trataría de gas que estaba presente en el disco joven y que no pudo ser eliminado del sistema. Cabría esperar que dicho disco gaseoso fuera bastante masivo. En el segundo escenario, la mayor parte del gas del disco protoplanetario se ha disipado, y se puede crear una nueva generación de gas por colisiones entre planetesimales que están cubiertos de hielos (como por ejemplo los cometas). En este segundo escenario, cabría esperar una cantidad de gas mucho menor”, manifiesta Olofsson.

Trabajo a futuro

Desgraciadamente, indica el científico, en la actualidad es muy difícil restringir la estructura vertical de los discos de escombros a partir de las observaciones. “Tenemos instrumentos fantásticos como SPHERE y ALMA, pero no alcanzamos una resolución angular que nos permita afirmar si un disco es más plano de lo esperado. Esto puede hacerse, hasta cierto punto, para los discos que están cerca de la Tierra, pero, lamentablemente, esos discos no tienen gas, por lo que no podemos confrontar nuestros resultados”, señala Johan Olofsson. 

Sin embargo, el investigador explica que con SPHERE, por ejemplo, existe una técnica para transformar el telescopio en un pequeño interferómetro, equivalente a dividir un gran telescopio en varios más pequeños. Esta técnica permite aumentar la separación angular aunque no tener imágenes del disco. Si la geometría del disco es favorable, entonces se puede medir mejor el espesor vertical, gracias a la mayor resolución de las observaciones.

En el caso de las observaciones con ALMA, continúa Olofsson, en la mayoría de los casos no se utilizan todas las capacidades de la instalación. “Es posible aumentar la resolución angular en un factor 2 o 3, pero habría que observar los discos durante mucho más tiempo. Y como los discos de desechos suelen ser bastante débiles, esto es todo un reto, aunque hay varios objetivos prometedores que podríamos intentar observar en un futuro próximo”, finaliza.

Publicación científica 

 

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