ALMA descobreix anells desalineats en discos formadors de planetes al voltant de les estrelles triples

Mitjançant ALMA, que son les sigles d'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Gran Conjunt Mil·limètric-Submil·limètric d'Atacama), dos equips d’astrònoms han descobert per primera vegada un disc de formació de planetes amb anells desalineats al voltant d’un sistema de tres estrelles, anomenat GW Orionis. Els astrònoms ofereixen dos possibles escenaris per al desalineament: o bé el disc va ser trencat per la tracció gravitacional de les estrelles o per un planeta acabat de néixer.

Clic per engrandir. ALMA i l’instrument SPHERE del Very Large Telescope (Telescopi Molt Gran) del ESO han obtingut la imatge de GW Orionis, un sistema de triple estrella amb una peculiar regió interior. A diferència dels discs plans de formació de planetes que veiem al voltant de moltes estrelles, GW Orionis presenta un disc deformat, deformat pels moviments de les tres estrelles al seu centre. Aquesta imatge composta mostra les observacions ALMA i SPHERE del disc per Kraus et al. La imatge ALMA (blava) mostra l'estructura anellada del disc, amb l'anell més intern (una part del qual és visible com un punt oblong al centre de la imatge) separat de la resta del disc. Les observacions de l’esfera (vermell ataronjat) van permetre als astrònoms veure per primera vegada l’ombra d’aquest anell més profund de la resta del disc, cosa que els va permetre reconstruir la seva forma deformada. Crèdits: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), ESO / Exeter / Kraus et al.

La majoria d’estrelles semblants al nostre Sol neixen amb germanes. A diferència dels planetes del nostre sistema solar, que orbiten tots en el mateix pla al voltant del Sol, els planetes al voltant d’aquests sistemes de diverses estrelles sovint tenen òrbites que no estan alineades amb les òrbites de les seves estrelles. Les seves òrbites tortes s’originen en els discs formadors de planetes, els llocs de naixement dels planetes. Per tant, estudiar discos desalineats al voltant de diverses estrelles ens ajuda a entendre com es formen aquests planetes (anteriorment ALMA va imaginar els discos desalineats del sistema estel·lar binari "Tatooine" a Star Wars). 

En un nou estudi, dos equips independents d’astrònoms van apuntar ALMA a GW Orionis. Es tracta d’un sistema estel·lar jove que allotja tres estrelles. Les estrelles interiors GW Ori A i B orbiten entre si i estan separades per 1 UA, i la tercera estrella GW Ori C orbita al voltant de les seves dues germanes a una distància aproximada de 8 UA.

ALMA va trobar tres anells separats amb diferents orientacions al disc massiu de formació de planetes de GW Orionis, situats a aproximadament 46, 185 i 340 UA del seu centre. L’anell interior està molt desalineat en relació tant amb els anells exteriors com amb les tres estrelles. L'anell més exterior és el més gran que s'ha observat mai en discos formadors de planetes. Si un planeta es formés a la bretxa entre l'anell interior i l'exterior, es situaria increïblement lluny de les estrelles. Per comparar-ho, Neptú es troba a només 30 UA del Sol.

Clic per engrandir. Imatges ALMA del disc formador de planetes amb anells desalineats al voltant del sistema de triple estrella GW Orionis. La imatge de la dreta està feta amb dades ALMA preses el 2017 per Bi et al. La imatge de l’esquerra està feta amb dades ALMA preses el 2018 per Kraus et al. Crèdits: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), S. Kraus i J. Bi; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello

ALMA va observar la desalineació als anells de GW Orionis per primera vegada el 2017. "Ens va sorprendre veure la forta desalineació de l'anell interior", va dir Jiaqing Bi de la Universitat de Victoria al Canadà i líder de l'equip que va publicar els seus resultats a The Astrophysical Journal Letters al maig d’aquest any (NdT; pel 2020). "Però l'estranya ordit del disc es confirma amb un patró retorçat que ALMA va mesurar al gas del disc".

El segon equip d'astrònoms, dirigit per Stefan Kraus, de la Universitat d'Exeter, al Regne Unit, va apuntar tant l'ALMA com el Very Large Telescope (VLT) de l'Observatori Sud Europeu cap a les estrelles triples. El seu equip va detectar gas calent a la vora interna de l'anell desalineat i va dispersar la llum de la superfície deformada del disc.

Clic per engrandir. Aquest gràfic mostra la ubicació del triple sistema GW Orionis a la constel·lació d'Orió. El mapa inclou la majoria de les estrelles visibles a ull nu sense ajuda en bones condicions, i la ubicació de GW Orionis s’indica amb un punt vermell. Crèdit: NRAO/AUI/NSF, IAU, Sky & Telescope

“A les nostres imatges, veiem l’ombra de l’anell interior al disc exterior. Al mateix temps, ALMA ens va permetre mesurar la forma precisa de l’anell que projecta l’ombra. La combinació d’aquesta informació ens permet obtenir l’orientació tridimensional de l’anell desalineat i de la superfície del disc deformat”, va dir Kraus, l’equip del qual ha publicat avui (NdT;. pel 3/09/2020) els seus resultats a Science.

Utilitzant matrius de telescopis que funcionen a longituds d'ona infraroges, també van cartografiar les òrbites de les tres estrelles durant més d'11 anys, cobrint un període orbital complet. L'equip va trobar que les tres estrelles no orbitaven en el mateix pla, però que estan desalineades les unes amb les altres i respecte al disc. "Això va resultar crucial per entendre com les estrelles donen forma al disc", va afegir John Monnier, membre de l'equip de la Universitat de Michigan.

Tots dos equips van realitzar simulacions per ordinador per investigar què podria provocar que l’anell interior estigués desalineat de la resta del disc i de les estrelles.

Clic per engrandir. Representació de l'estructura del disc i l'òrbita estel·lar del sistema triple GW Orionis, tal com es deriva de les observacions ALMA i VLT de Kraus et al. Els anells taronja són els anells (desalineats) vistos per ALMA. Les superfícies transparents corresponen als filaments de pols de densitat inferior que connecten els anells i que dominen l’emissió amb llum dispersa. Crèdit: Kraus et al. 2020; NRAO / AUI / NSF

Kraus i el seu equip relacionen les desalineacions observades amb "l'efecte de trencar el disc", que suggereix que l'atracció gravitacional de les estrelles en diferents plans pot deformar-se i trencar-ne els discs. Les seves simulacions van mostrar que el desalineament en les òrbites de les tres estrelles podria fer que el disc que les envolta es trenqués en anells diferents.

Les simulacions de Bi i el seu equip donen a entendre una altra possible explicació del gran desalineament entre els anells de pols interiors i mitjans. “Les nostres simulacions mostren que la força gravitatòria de les estrelles triples no pot explicar per si sola la desalineació observada. Creiem que la presència d'un planeta entre aquests anells és necessària per explicar per què es va trencar el disc", va dir la membre de l'equip Nienke van der Marel de la Universitat de Victoria. "És probable que aquest planeta hagi esculpit un buit de pols i hagi trencat el disc a la ubicació dels anells interior i exterior actuals", va afegir. 

Kraus també especula sobre els planetes de GW Orionis: "L'anell interior conté prou pols per construir 30 terres, que és suficient perquè es formi un planeta a l'anell". 

Si futurs estudis troben aquest planeta exòtic, ja existeixi o encara s'està formant, seria el primer planeta que s'ha vist al voltant de tres estrelles i posseiria una òrbita molt inusual.

Representació de realitat augmentada de l'estructura del disc i l'òrbita estel·lar del sistema triple GW Orionis, tal com es deriva de les observacions ALMA i VLT de Kraus et al. Els anells taronja són els anells (desalineats) vistos per ALMA. Les superfícies transparents corresponen als filaments de pols de densitat inferior que connecten els anells i que dominen l’emissió amb llum dispersa. CRÈDIT: Kraus et al., 2020; NRAO / AUI / NSF

Ho he vist aquí.