Un planeta en formación alrededor de una estrella joven da pistas sobre el origen del Sistema Solar

Alrededor de la estrella HL Tau se ha formado una acumulación de polvo y gas que, probablemente, irá creciendo a costa de la materia de su alrededor y acabará formando un auténtico planeta en el plazo de unos pocos millones de años. Un equipo internacional de astrónomos ha logrado la imagen, obtenida con un enorme radiotelescopio, de ese embrión planetario, y el hallazgo, mucho más allá de la curiosidad que despierta, aporta piezas importantes del rompecabezas que supone para los científicos los procesos que originan los cuerpos en órbita de las estrellas. “Por primera vez, los astrónomos están viendo en acción el proceso clave de formación de un planeta”, afirman los expertos del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA, Alemania). Y, “sí, el esquema que presenta HL Tau valdría para el Sistema Solar: igual que se forma un futuro planeta, se pueden formar ocho”, comenta Guillem Anglada, científico del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA, del CSIC), que participa en esta investigación cuyos resultados se van a publicar próximamente en la revista The Astrophysical Journal Letters.

HL Tau es una estrella joven –en torno a un millón de años, o menos, frente a los 4.500 millones de años que tiene el Sol- y todavía no ha empezado siquiera a quemar hidrógeno. “En realidad es una protoestrella que todavía está agregando materia y comprimiéndose”, explica José María Torrelles, investigador del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC).

A una distancia de la Tierra de unos 460 años luz y con un brillante disco protoplanetario a su alrededor, esa estrella es una vieja conocida de los científicos, y la eligieron como uno de los primeros objetos celestes hacia el que apuntar el gran radiotelescopio internacional ALMA, en Chile, cuando empezó a funcionar. La imagen obtenida causó enorme satisfacción entre los astrónomos tanto por la extraordinaria resolución que ofrecía el nuevo observatorio (es capaz de ver detalles cinco veces más pequeños que los que ve el telescopio espacial Hubble, señala Anglada), como por lo que desveló: un complejo conjunto de anillos y surcos en el disco de HL Tau, con un detalle jamás visto hasta entonces. Fue en 2015. Tal fue la sorpresa, que en pocos meses se han publicado unos 40 artículos científicos al respecto, destaca el astrónomo del IAA.

Pero, aunque el ALMA (un conjunto de 66 antenas que funcionan coordinadas y en longitudes de onda submilimétricas) es excepcional para ver el disco con detalle por fuera, no es capaz de ver en su interior. Por ello, un equipo de astrónomos, liderados por Carlos Carrasco González (Universidad Autónoma de México) y Thomas Henning (MPIA), decidieron recurrir a otro gran radiotelescopio, el VLA. Es también un conjunto de grandes antenas sincronizadas (27 en este caso) y están ubicadas en Nuevo México (EE. UU.), operando en mayores longitudes de onda que el ALMA, siendo así capaz de ver dentro de la nube de gas y polvo alrededor de HL Tau.

En esas imágenes de VLA es donde los astrónomos han detectado el protoplaneta, una acumulación de materia situada a una distancia de la estrella de unas 10 veces la distancia de la Tierra al Sol, y que tendrá ya una masa de entre tres y ocho veces la de nuestro planeta. “Ese conglomerado debe ser un embrión de planeta que, ya en la fase actual contiene suficiente materia como para formar un cuerpo con una masa entre la de la Tierra y la de Neptuno”, señalan los científicos del MPIA. Y todo el polvo del disco que rodea la estrella, según los datos del ALMA y del VLA, contiene entre 300 y 900 veces la masa de la Tierra.

Actualmente, el material sólido del Sistema Solar es unas 60 veces la masa terrestre y está formando, fundamentalmente, los planetas rocosos y los núcleos de los gaseosos. Así, se calcula que el disco protoplanetario del Sol debió tener unas 180 veces la masa de la Tierra de material sólido para que se formasen todos los cuerpos que conocemos ahora alrededor del astro.

“Las imágenes detalladas como esta están llevando la investigación sobre la formación de planetas a un nuevo nivel”, señala Henning acerca de las observaciones del ALMA y del VLA. “Grandes estructuras como la acumulación que hemos descubierto son, aparentemente, inevitables si queremos explicar la formación de sistemas como nuestro Sistema Solar”.

Los astrónomos saben cómo se forman los planetas: se acumula polvo y gas del disco que gira en torno a una estrella y el grumo va creciendo a costa de la materia de su entorno hasta formarse un nuevo cuerpo celeste en órbita del astro. Pero este modelo simple no está exento de problemas y contradicciones a la hora de concretar los mecanismos implicados.

“Hace una década empezamos a descubrir estructuras de anillos y surcos oscuros en esos discos de gas y polvo en torno a las estrellas”, recuerda Anglada. “Se propuso entonces la hipótesis de que esos surcos oscuros se formarían cuando un protoplaneta va barriendo el disco, acumulando materia y dejando esos huecos vacíos”. Es un buen esquema. Pero no se aprecian planetas en los surcos oscuros del disco de HL Tau y, sin embargo, aparece la acumulación de materia en un anillo brillante. “La franja oscura que observamos ahora en las nuevas imágenes de la estrella HL Tau no se ha producido por el barrido de un planeta”, recalca Torrelles.

Cabe otra explicación, al menos para un proceso temprano como el observado en HL Tau, según la cual un planeta nace en un anillo brillante de materia, como se observa en la imagen del disco. “Las inestabilidades del sistema –hay que recordar que la parte interna gira mucho más rápido que la externa- van agrietando el disco de gas y polvo, generando esos finos surcos oscuros y anillos brillantes; se forma entonces un grumo inicial de materia en uno de esos anillos y ese grumo es la semilla del futuro planeta que va agregando más materia de su entorno…. A la larga se acabará formando un surco oscuro grande y un planeta”, explica Anglada.

Este mecanismo permite soslayar un problema de tiempo que surge en el esquema más simple. “En esos modelos sencillos, los discos protoplanetarios que rodean a una nueva estrella son uniformes y homogéneos, todo sucede a pequeña escala con granos de polvo juntándose y formando objetos más grandes hasta que se forman planetas”, explican los científicos del MPIA. Pero es un proceso demasiado lento. “En unos 10 millones de años, la intensa radiación de la joven estrella expulsa el gas y el polvo del disco y se acaba la fase de formación planetaria, así que si no se han hecho ya esos cuerpos, no se podrán hacer”.

El nuevo modelo que se apoya en las imágenes de HL Tau, sin embargo, permiten un mecanismo de formación ultrarápido. Y la clave está en que los surcos oscuros del disco no serían en este caso producto de protoplanetas que van barriendo el espacio y tragando materia, sino que la estructura observada sería parte del mismo proceso de formación planetaria. Si los discos no son homogéneos, sino que tiene pequeñas concentraciones de materia, puede desencadenarse un proceso dinámico que acaba formando, como los modelos de ordenador indican, los embriones de planetas.

¿Cómo? Los científicos del MPIA recurren a una analogía para explicarlo: igual que el flujo de agua de un río va a acumulando sedimentos, piedras y hojas en algunos lugares del cauce, la concentración de granos de polvo es mayor en algunos lugares que en otros del disco que rodea la estrella, solo que en este caso no sería por el flujo de agua, sino por los campos magnéticos y diferencias de temperatura.

“Esto es exactamente lo que se observa en HL Tau: los anillos interiores del disco que se aprecian con el ALMA son suficientemente densos y masivos, y el VLA muestra la primera imagen de fragmentación de un anillo de un disco”, concluyen los astrónomos del instituto alemán. Así, los astrónomos “han visto por primera vez en acción este proceso clave de formación planetaria”.

En cuanto al problema del tiempo, “si la formación del planeta empieza más pronto de lo que indicaba el esquema clásico, hay mucho más margen para completarse”, añade Anglada.

Los investigadores tienen aún mucho trabajo por delante. Además de hacer más observaciones con los radiotelescopios ALMA y VLA, quieren hacer nuevos modelos detallados del disco de LM Tau y las estructuras descubiertas para afinar los mecanismos iniciales de fragmentación del disco, quieren recalcular los tiempos implicados en el proceso y averiguar si la acumulación de materia que han detectado está concentrando más materia de su alrededor, lo que supondría un dato clave para determinar que efectivamente se trata de un protoplaneta.