¿El huevo o la gallina? Descubrimiento de un posible flujo radial en un disco protoplanetario

El descubrimiento de una peculiar estructura en el disco protoplanetario que rodea una estrella joven, y su relación con la posible formación de un sistema planetario sirve para plantearnos nuevas preguntas pero también para evidenciar las diferentes conexiones entre ciencía básica y los desarrollos tecnológicos. El uso combinado de principios físicos fundamentales y los telescopios e instrumentación mas punteros ha hecho posible este descubrimiento.

En una nota de prensa recientemente publicada1,2 se resumen los resultados observacionales que  mis colaboradores y yo hemos obtenido en relación con el objeto denominado “HD 100546”. Se trata de una estrella joven rodeada de un disco protoplanetario en el cual se estaría formando, según sugieren investigaciones previas, al menos dos planetas. Nuestro resultado mas relevante ha sido el descubrimiento de una estructura en forma de barra que conecta la parte externa e interna del disco a través del “gap” o agujero central que separa ambas partes (Figs. 1 y 2). Proponemos que el escenario mas plausible para entender dicha estructura es un flujo de material que parte del disco externo y alimenta el disco interno, lo que permitiría a la estrella central crecer (“acretar”) al ritmo al que lo hace. Este tipo de chorros son muy poco frecuentes y, en caso de que nuestra hipótesis se confirme, sería un caso excepcional en el que el flujo abarcaría una escala muy pequeña (chorros de materia similares se han observado en escalas típicas diez veces mas grandes), y en una estrella aislada (anteriormente se observaron en sistemas binarios o múltiples, con mas de una estrella), lo que eventualmente relacionaría la estructura encontrada con la presencia de planetas adicionales aun no detectados. Los detalles pueden consultarse en las referencias arriba indicadas, o en el propio artículo publicado en “Astronomy & Astrophysics”3. En esta entrada me centro en describir no los resultados de la detección en sí, sino cómo esta ha sido posible: a partir de una técnica de imagen de “alta resolución” y “alto contraste”.

La expresión “alta resolución” indica que hemos podido observar escalas angulares muy pequeñas. Para comprender de qué se esta hablando exactamente hay que revisar algunos datos: El cielo observable desde el horizonte hasta el cénit abarca 90 grados, cada grado se divide en 60 minutos de arco, y cada minuto a su vez contiene 60 segundos de arco. Bajo este esquema, la luna llena abarca un ángulo de medio grado aproximadamente, o lo que es lo mismo, 30 minutos de arco. Aunque este es un ángulo relativamente pequeño, aun podemos “resolverlo” a simple vista. De hecho el máximo “poder de resolución” del ojo desnudo es de uno o dos minutos de arco, por lo que dos objetos a una distancia angular mas pequeña serían indistinguibles el uno del otro a no ser que usemos algún instrumento que nos proporcione mas poder de resolución. Con estos números en mente podemos hacernos una idea de las escalas que hemos explorado en nuestras observaciones: las estructuras mas pequeñas que se observan en las Figs. 1 y 2 abarcan escalas angulares de unos pocos mili-segundos de arco, esto es, ~ 90000 veces mas pequeño que el diámetro aparente de la luna, o ~ 4500 veces mas pequeño que lo que podríamos resolver a simple vista. Para poder resolver estas pequeñísimas escalas angulares se necesitan los telescopios mas grandes disponibles, en concreto, usamos un “Very  Large Telescope”4 del Observatorio Europeo Austral5, en Chile. El nombre del telescopio es tan poco original como descriptivo, pues se trata efectivamente de un telescopio muy grande, con un espejo primario de mas de ocho metros. Pese a que este tamaño es en principio suficiente para poder detectar la escala angular arriba mencionada, la atmósfera de la Tierra introduce un factor limitante a través de la distorsión que introduce en las observaciones. Para lidiar con este efecto hicimos uso de un sistema de “óptica adaptativa”, que permite eliminar las perturbaciones introducidas por la atmósfera corrigiendo las observaciones en tiempo real.

Respecto al “alto contraste”, el término se refiere a la diferencia en brillo respecto a la estrella central, que es de cientos a miles de veces mas brillante que lo que realmente queríamos observar: el disco protoplanetario que la rodea. Este problema de contraste se hace evidente en una carretera por la noche, cuando lo único que vemos son las luces de los faros y no los propios coches (al menos hasta que no están lo suficientemente cerca como para distinguir la luz que en ellos se refleja). De alguna manera necesitábamos enmascarar el intenso brillo de la propia estrella para quedarnos con la tenue luz reflejada en el disco. Para ello aprovechamos una propiedad fundamental de la luz: la polarización. Cuando una piedra cae en un lago las moléculas de agua oscilan arriba y abajo mientras que la onda se propaga perpendicularmente a dicha oscilación. En el caso de la luz, la onda se propaga perpendicularmente a la oscilación del campo electromagnético. Cuando esta oscilación ocurre en todas direcciones por igual, se dice que la luz se encuentra en estado “no polarizado”, mientras que si oscila preferentemente en direcciones específicas la luz está “polarizada”. La luz directa de una estrella, como el Sol, no está polarizada, mientras que al reflejarse, por ejemplo en la nieve de una montaña, se introduce cierto grado de polarización. Las “gafas polarizadas” que usan montañeros y esquiadores, o los filtros que a veces se utilizan en las cámaras fotográficas, aprovechan este efecto para filtrar la luz reflejada y evitar destellos indeseados. En nuestro caso lo que filtramos es la luz directa de la estrella (no polarizada), y nos quedamos solo con el reflejo (polarizado) en el disco mediante una técnica de “polarimetría diferencial” realizada con el instrumento de última generación “SPHERE”6.

La observación del disco alrededor de HD 100546 y la eventual detección de un flujo radial aportan un granito de arena mas a nuestro entendimiento sobre el origen de sistemas planetarios similares al nuestro. Esta contribución ha sido posible gracias al uso combinado de las técnicas observacionales enumeradas, lo cual sólo se ha podido realizar a partir de un telescopio y un instrumento que utilizan las tecnologías mas punteras. A su vez, el desarrollo de este tipo de tecnologías, muchas veces con aplicación directa en otros ámbitos, nace frecuentemente de requerimientos puramente científicos -como observar estructuras que brillan y abarcan muy poco en el cielo- y se basan en principios físicos básicos -por ejemplo, la propiedad de la polarización de la luz, descubierta y estudiada ya en los siglos XVII y XVIII-. Los ejemplos de esta relación bidireccional entre ciencia y tecnología son muy numerosos, y se dan en todas las ramas de la ciencia, no sólo en la astronomía. Intentar sacar rédito de la tecnología y la “ciencia aplicada” olvidando invertir en “ciencia básica” sería como pretender obtener huevos sin disponer de gallinas (y viceversa).

Ignacio Mendigutía

Centro de Astrobiología (CSIC-INTA),
https://ignaciomendigutia.wixsite.com/astro

1:  http://bit.ly/2AcHsU4
2: http://www.cab.inta.es/es/noticias/329/descubierto-el-cordon-umbilical-de-una-estrella-en-formacion
3: “The protoplanetary system HD 100546 in H-alpha polarized light from SPHERE/ZIMPOL. A bar-like structure across the disk gap?”; I. Mendigutía, R.D. Oudmaijer, A. Garufi, S.L. Lumsden, N. Huélamo, A. Cheetham, W.J. de Wit, B. Norris, F.A. Olguin y P. Tuthill. 2017, Astronomy & Astrophysics, 608, A104
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2017/12/aa31131-17/aa31131-17.html
4:  https://youtu.be/LY_zLR9kE1w
5:  http://www.eso.org/public/spain/
6:  https://www.eso.org/sci/facilities/paranal/instruments/sphere.html