Cinturón de polvo alrededor de nuestra vecina estrella Proxima Centauri

Título: ALMA DISCOVERY OF DUST BELTS AROUND PROXIMA CENTAURI
Autores: Guillem Anglada, Pedro J. Amado, Jose L. Ortiz, José F. Gómez, Enrique Macías, Antxon Alberdi, Mayra Osorio, José L. Gómez, Itziar de Gregorio-Monsalvo, Miguel A. Pérez-Torres, Guillem Anglada-Escudé, Zaira M. Berdiñas, James S. Jenkins, Izaskun Jimenez-Serra, Luisa M. Lara, Maria J. López-González, Manuel López-Puertas, Nicolas Morales, Ignasi Ribas, Anita M. S. Richards, Cristina Rodríguez-López, and Eloy Rodriguez
Institución del primer autor: Instituto de Astrofísica de Andalucía, CSIC, Glorieta de la Astronomía s/n, 18008 Granada, Spain
Estatus: Aceptado para su publicación en Astrophysical Journal (ApJ) Letters

La estrella Proxima Centauri ha conseguido mucha fama en los últimos años.  Por ser la estrella mas cercana a nuestro sistema solar, a una distancia de 4 años luz, ha sido el foco de muchos estudios.  Ya se sabe que es anfitrióna de un planeta terrestre en la zona habitable (ver el astrobito y el astrobite que presentaron nuestro nuevo vecino).  El planeta se llama Proxima b y fue hallado durante la campaña Pale Red Dot (algo así como “punto rojo pálido”), y publicado por Anglada-Escudé et al (2016).

Figura 1: Imagen artística del sistema solar de Proxima Centauri.  A continuación desarrollamos como llegaron a estas conclusiones de su forma.  (Crédito: ESO/M. Kornmesser)

Cinturón de polvo, al estilo Kuiper

En el artículo de hoy, los autores Anglada et al. no decidieron enfocarse en la estrella Proxima Centauri, ni en el planeta Proxima b, sino en el polvo alrededor del sistema estelar.  Este polvo tiene la forma de un anillo llamado “cinturón de polvo,” y forma parte de un disco que se llama “disco de escombros” alrededor de una estrella de la secuencia principal.  Se cree que los discos de escombros facilitan la formación de planetas terrestres, y el polvo del cinturón es el resultado de muchas colisiones de objetos más grandes.  Utilizando la evidencia de los discos y su polvo, los astrónomos pueden deducir la historia de la formación y evolución del sistema planetario, como fue el caso de nuestro cinturón de Kuiper.  En el estudio de hoy, los autores buscan más lejos que nuestro sistema solar, pero no tan lejos aun, y descubren que la estrella más cercana en el cinturón de polvo de Proxima Centauri puede ser un análogo chico de nuestro cinturón de Kuiper.

Figura 2: Observaciones con ALMA usando las antenas de 7 metros de diámetro.  ACA significa “Atacama Compact Array”, o “Conjunto compacto del Atacama”, y consiste en las antenas de 7 metros. (Figura 1 del artículo)

Figura 3: Observaciones con ALMA usando las antenas de 12 metros de diámetro.  La longitud de onda detectada es de 1.3 mm. Fíjense en la escala, que muestra que esta imagen es un “zoom” de la Figura 2.  (Figura 2 del artículo)

Las observaciones

El estudio fue anunciado por medios de los observatorios (ALMA y ESO) y la prensa científica (haciendo una búsqueda del título en Google), pero los artículos “populares” tienden a incluir solo la imagen artística en la Figura 1, en vez de las observaciones reales.   Los autores usaron el observatorio ALMA para detectar la emisión correspondiente al polvo frío, y el artículo de hoy presenta las observaciones reproducidas en figuras 2 y 3.  Detectaron luz con una longitud de onda de 1.3 mm.  Pidieron observaciones con dos “conjuntos” distintos de antenas de ALMA. La Figura 2 muestra las observaciones con el conjunto de antenas de 7 metros de diámetro (“conjunto 7m”), y la Figura 3 muestra las observaciones con las antenas de 12 metros de diámetro (“conjunto 12m”).  Fíjense bien en las escales.  En la Figura 2 una linea horizontal marca la distancia correspondiente a 10 au (unidades astronómicas), mientras que en la figura 3 una línea parecida marca la distancia correspondiente a 1.5 au.  La resolución, o los detalles que se pueden distinguir, del conjunto de 12 metros es mejor que la resolución del conjunto de 7 metros.  Es decir, en la Figura 3 se ven más detalles finos, mientras que en la Figura 3 se ve un campo más grande.

Los resultados

Analizando las observaciones, los autores crearon el siguiente “dibujo” (Figura 4) que muestra la configuración de distintos componentes del sistema.  Ahora se ve de qué se trata la imagen en la Figura 1.

Figura 4: Un dibujo del sistema. Los diversos componentes son: (1) el planeta Proxima b cerca a la estrella; (2) un cinturón de polvo tibio a 0.4 au; (3) una fuente no confirmado a 1.6 au, que puede ser otro planeta; (4) un cinturón frío a 1-4 au; y (5) un cinturón más lejano. (Figura 4 del artículo)

¿Pero cómo lograron interpretar las observaciones de ALMA en las Figuras 2 y 3 para realizar el dibujo en la Figura 4?  Lo veremos por partes.

(1) Planeta Proxima b — Ya saben que existe el planeta a una distancia de 0.05 au de la estrella, gracias al gran descubrimiento por Anglada-Escudé et al (2016) usando telescopios ópticos.  Las observaciones con ALMA pueden dar pistas para la masa del planeta, y los autores proponen un modelo del sistema que sugiere una masa (por confirmar) del planeta de 1.8 masas terrestres.

(2) Polvo tibio — Como se nota en el diagrama de la Figura 4, los componentes 2, 3, y 5 están marcados con un signo de interrogación (?), que significa que los autores los proponen como una posibilidad sin confirmar (honestamente).  Los autores se fijaron de que la emisión en la Figura 3 no está redonda, sino alargada en dirección sureste (abajo y a la izquierda).  Vale decir que no se trata de la segunda fuente de emisión, sino una pequeña irregularidad en la forma de la fuente principal.  Los autores proponen una banda de polvo tibio (90 K) a una distancia de 0.4 au y con una masa total de 0.001 masas terrestres.

(3) Fuente desconocida — Las observaciones detectaron una fuente de emisión a una distancia de 1.6 au de la estrella (el punto secundario que se ve abajo y a la izquierda de la emisión mas fuerte en la Figura 3). Los autores explican varias posibilidades para la fuente (ruido, una galaxia del fondo, un objeto vecino sub-estelar, una nube de polvo).  Escriben que el alternativo más emocionante es que la emisión pertenece a un anillo de polvo alrededor de un planeta gigante en órbita a la estrella con un periodo de 5.8 años.  Según este modelo, los autores esperan un planeta con la masa de Saturno (100 masas terrestres), y se emocionan con la posibilidad de detectar anillos alrededor de planetas en otros sistemas estelares.

(4) Cinturón frío — Este debe ser el resultado principal de este estudio gracias a los datos de ALMA.  Este componente es el análogo al cinturón de Kuiper, con una masa (0.01 masas terrestres) y temperatura (40 K) similares, pero a una distancia mucho mas cercana a la estrella (1-4 au, en vez de los 30-50 au del cinturón Kuiper).  Es importante porque al entender los cinturones de polvo alrededor de otras estrellas, podemos estudiar mejor la formación de los sistemas planetarios.

Pero, con un buen ojo, se nota que las observaciones en las Figuras 2 y 3 no tienen una banda (cinturón) tan marcada como en el dibujo de la Figura 4.  ¿Cómo llegaron a esta conclusión?  Los autores aplicaban un principio de interferometría con ALMA, que relaciona la luz detectada por los distintos conjuntos con el tamaño y la forma del objeto que emitía la luz.  Por ejemplo, el conjunto 7m puede detectar luz más dispersa que el conjunto 12m, pero ninguno de los dos puede detectar luz demasiada dispersa (se necesita un telescopio de un solo plato o antena).  Al contrario, el conjunto 12m puede detectar luz más concentrada (un punto brillante), hasta un cierto tamaño, y un objeto mas pequeño se puede detectar pero no se puede resolver (distinguir los detalles).  Cuento corto, los autores deducen que la luz que detectaron (1) excede la cantidad de luz esperada de la estrella al centro, y (2) no puede ser un objeto de forma demasiada concentrada, porque si no, hubiera sido detectada por el conjunto 12m.  En resumen, la forma del objeto que emitía la luz debe tener la forma de un cinturón de polvo con un radio de 1-4 au.

Figura 5: El gráfico para mostrar un cinturón lejano con radio de 30 au.  Los ejes miden intensidad promedio con respecto al radio. (Figura 3 del artículo)

(5) Cinturón lejano — Los autores hacen un análisis profundo para detectar un posible cinturón de polvo a una distancia de 23 segundos de arc, que corresponde a 30 au.  Su “prueba” está en la Figura 5, donde se muestra la intensidad promedio de la luz con respecto al radio.  Hay una intensidad alta al centro (que debe corresponder al cinturón frío), pero además descubrieron un exceso de intensidad a una distancia lejana.  El cinturón a esta distancia debe ser bastante frío (10 K), y de baja masa (0.3 masas terrestres).

En resumen de todos los hallazgos, los autores destacan la importancia de poder mostrar la capacidad de ALMA de detectar polvo en distintos cinturones, y hasta en anillos alrededor de planetas extrasolares.  Cada componente merece estudios más precisos para lograr entenderlos mejor, y los autores refieren en algunos lugares de observaciones propuestas para el futuro. Sobre todo, con relación al tema de los anillos planetarios, los autores nos invitan a seguirlos con una frase en su último párrafo: “Se están realizando nuevas observaciones para confirmar o descartar esta intrigante posibilidad.”