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Planetas recién nacidos invisibles están levantando polvo alrededor de una estrella joven

Nuestro universo es tan caprichoso que a veces le gusta jugar al escondite. En 2017, los astrónomos se sorprendieron al ver una enorme sombra barriendo un disco de polvo y gas que rodeaba a la joven estrella cercana TW Hydrae. La sombra es proyectada por un disco interior de polvo y gas que está ligeramente inclinado respecto al plano del disco exterior. La sombra solo se puede ver claramente porque el sistema está inclinado de cara a la Tierra, lo que les da a los astrónomos una vista de pájaro del disco mientras la sombra se mueve alrededor del disco como una manecilla que se mueve alrededor de un reloj.

Pero un reloj tiene dos manecillas (horas y minutos) que giran a diferentes velocidades. Y resulta que TW Hydrae también. Los astrónomos usaron el Hubble para encontrar una segunda sombra que emerge de otro disco interno, que está inclinado hacia los dos discos externos. Entonces, el sistema parece cada vez más complicado con al menos tres discos anidados ligeramente inclinados entre sí. Los discos son representantes de planetas invisibles alrededor de la estrella. Cada planeta está tirando gravitacionalmente del material cerca de la estrella y deformando lo que habría sido un disco perfectamente plano en forma de panqueque si no hubiera planetas presentes. Esto no es una sorpresa porque los planetas de nuestro sistema solar tienen planos orbitales que varían en inclinación unos pocos grados entre sí. TW Hydrae les da a los astrónomos un asiento de primera fila para ver cómo pudo haber sido nuestro sistema solar durante sus años de formación.

Las imágenes de comparación del telescopio espacial Hubble, tomadas con varios años de diferencia, han descubierto dos sombras espeluznantes que se mueven en sentido contrario a las agujas del reloj a través de un disco de gas y polvo que rodea a la joven estrella TW Hydrae. 
Los discos están inclinados de cara a la Tierra y, por lo tanto, les dan a los astrónomos una vista panorámica de lo que sucede alrededor de la estrella. 
La imagen de la izquierda, tomada en 2016, muestra solo una sombra [A] en la posición de las 11:00 en punto. 
Esta sombra es proyectada por un disco interno que está ligeramente inclinado hacia el disco externo y bloquea la luz de las estrellas. 
La imagen de la izquierda muestra una segunda sombra que surgió de otro disco anidado [C] en la posición de las 7:00 en punto, como se fotografió en 2021. El disco interno original está marcado [B] en esta vista posterior. 
Las sombras giran alrededor de la estrella a diferentes velocidades, como las manecillas de un reloj. 
Son evidencia de dos planetas invisibles que han atraído polvo a sus órbitas. 
Esto los hace ligeramente inclinados entre sí. 
Esta es una foto de luz visible tomada con el espectrógrafo de imágenes del telescopio espacial. 
Se ha añadido color artificial para realzar los detalles. 
Crédito: NASA, ESA, STScI, John Debes (AURA/STScI para ESA), Joseph DePasquale (STScI)

El telescopio espacial Hubble sigue el rastro de sombras alrededor del disco de formación de planetas

La joven estrella TW Hydrae está jugando con los “títeres de sombras” mientras los científicos la observan con el telescopio espacial Hubble de la NASA.

En 2017 , los astrónomos informaron haber descubierto una sombra que se deslizaba por la cara de un vasto disco de gas y polvo en forma de panqueque que rodeaba a la estrella enana roja. La sombra no es de un planeta, sino de un disco interior ligeramente inclinado en relación con el disco exterior mucho más grande, lo que hace que proyecte una sombra. Una explicación es que la gravedad de un planeta invisible está atrayendo polvo y gas hacia la órbita inclinada del planeta.

Ahora, una segunda sombra, jugando un juego de peek-a-boo, ha surgido en solo unos pocos años entre las observaciones almacenadas en el  archivo MAST del Hubble . Esto podría ser de otro disco ubicado dentro del sistema. Los dos discos son probablemente evidencia de un par de planetas en construcción.

TW Hydrae tiene menos de 10 millones de años y reside a unos 200 años luz de distancia. En su infancia, nuestro sistema solar puede haberse parecido al sistema TW Hydrae, hace unos 4.600 millones de años. Debido a que el sistema TW Hydrae está inclinado casi de frente a nuestra vista desde la Tierra, es un objetivo óptimo para obtener una vista panorámica de un patio de construcción planetario. 

La segunda sombra se descubrió en observaciones obtenidas el 6 de junio de 2021, como parte de un programa de varios años diseñado para rastrear las sombras en los discos circunestelares. John Debes de AURA/STScI para la Agencia Espacial Europea en el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland, comparó el disco TW Hydrae con las observaciones del Hubble realizadas hace varios años.

“Descubrimos que la sombra había hecho algo completamente diferente”, dijo Debes, investigador principal y autor principal del estudio publicado en The Astrophysical Journal . “Cuando miré los datos por primera vez, pensé que algo había salido mal con la observación porque no era lo que esperaba. Estaba desconcertado al principio, y todos mis colaboradores decían: ¿ qué está pasando ? Realmente tuvimos que rascarnos la cabeza y nos tomó un tiempo encontrar una explicación”.

La mejor solución que se le ocurrió al equipo es que hay dos discos desalineados que proyectan sombras. Estaban tan cerca el uno del otro en la observación anterior que se les pasó por alto. Con el tiempo ahora se han separado y dividido en dos sombras. “Realmente nunca habíamos visto esto antes en un disco protoplanetario. Hace que el sistema sea mucho más complejo de lo que pensábamos originalmente”, dijo.

La explicación más simple es que los discos desalineados probablemente sean causados ​​por la atracción gravitacional de dos planetas en planos orbitales ligeramente diferentes. Hubble está armando una visión holística de la arquitectura del sistema.

Los discos pueden ser sustitutos de los planetas que se superponen mientras giran alrededor de la estrella. Es como hacer girar dos discos fonográficos de vinilo a velocidades ligeramente diferentes. A veces las etiquetas coinciden, pero luego una se adelanta a la otra.

“Sugiere que los dos planetas tienen que estar bastante cerca uno del otro. Si uno se movía mucho más rápido que el otro, esto se habría notado en observaciones anteriores. Es como dos autos de carreras que están cerca el uno del otro, pero uno adelanta lentamente y da una vuelta al otro”, dijo Debes.

Los planetas sospechosos están ubicados en una región aproximadamente a la distancia de Júpiter de nuestro Sol. Y las sombras completan una rotación alrededor de la estrella aproximadamente cada 15 años, el período orbital que se esperaría a esa distancia de la estrella. 

Además, estos dos discos interiores están inclinados entre cinco y siete grados con respecto al plano del disco exterior. Esto es comparable al rango de inclinaciones orbitales dentro de nuestro sistema solar. “Esto está en línea con la arquitectura típica del estilo del sistema solar”, dijo Debes. 

El disco exterior sobre el que caen las sombras puede extenderse hasta varias veces el radio del cinturón de Kuiper de nuestro sistema solar. Este disco más grande tiene una curiosa brecha al doble de la distancia media de Plutón al Sol. Esto podría ser evidencia de un tercer planeta en el sistema.

Cualquier planeta interior sería difícil de detectar porque su luz se perdería en el resplandor de la estrella. Además, el polvo en el sistema atenuaría la luz reflejada. El observatorio espacial Gaia de la ESA puede ser capaz de medir un bamboleo en la estrella si los planetas de la masa de Júpiter están tirando de ella, pero esto llevaría años debido a los largos períodos orbitales.

Los datos de TW Hydrae provienen del espectrógrafo de imágenes del telescopio espacial Hubble. La visión infrarroja del telescopio espacial James Webb también puede mostrar las sombras con más detalle.


Descripción de la imagen de la portada: El concepto de este artista se basa en imágenes del telescopio espacial Hubble de discos de gas y polvo alrededor de la joven estrella TW Hydrae. Las fotos del Telescopio Espacial Hubble muestran sombras que recorren los discos que rodean el sistema. La interpretación es que estas sombras provienen de discos internos ligeramente inclinados que impiden que la luz de las estrellas llegue al disco externo y, por lo tanto, proyectan una sombra. Los discos están ligeramente inclinados entre sí debido a la atracción gravitacional de los planetas invisibles que deforman la estructura del disco. Crédito: NASA, AURA/STScI para ESA, Leah Hustak (STScI)

Referencia:

“La sorprendente evolución de la sombra en el disco TW Hya” por John Debes, Rebecca Nealon, Richard Alexander, Alycia J. Weinberger, Schuyler Grace Wolff, Dean Hines, Joel Kastner, Hannah Jang-Condell, Christophe Pinte, Peter Plavchan y Laurent Pueyo, 4 de mayo de 2023, The Astrophysical Journal .
DOI: 10.3847/1538-4357/acbdf1

El Telescopio Espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA. El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore lleva a cabo operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, en Washington, DC

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