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Disco circumplanetario

Disco circumplanetario alrededor del exoplaneta PDS 70c (fuente puntual y nube circundante en el centro de la imagen derecha; el brillo indica el disco circumplanetario de hidró...

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Disco circumplanetario alrededor del exoplaneta PDS 70c (fuente puntual y nube circundante en el centro de la imagen derecha; el brillo indica el disco circumplanetario de hidrógeno caliente), [ 1 ] dentro de un disco circunestelar (imagen izquierda)

Un disco circumplanetario (o disco circumplanetario, abreviado CPD ) es una acumulación de materia en forma de toro , disco o anillo, compuesta de gas , polvo , planetesimales , asteroides o fragmentos de colisión, que orbita alrededor de un planeta . Son reservorios de material a partir de los cuales pueden formarse lunas (o exolunas o subsatélites ). [ 2 ] Dicho disco puede manifestarse de diversas maneras.

Teoría

Simulación hidrodinámica de la parte interna de un disco circumplanetario después de agregar exolunas al disco. Simulación realizada por Sun et al. [ 3 ]

Un planeta gigante se formará principalmente a través de la acreción del núcleo . En este escenario, un núcleo se forma a través de la acreción de pequeños sólidos. Una vez que el núcleo es lo suficientemente masivo, puede tallar un hueco en el disco circunestelar alrededor de la estrella anfitriona . El material fluirá desde los bordes del disco circunestelar hacia el planeta en corrientes y alrededor del planeta formará un disco circumplanetario. Por lo tanto, un disco circumplanetario se forma durante la etapa tardía de la formación de planetas gigantes. [ 4 ] [ 5 ] El tamaño del disco está limitado por el radio de Hill . Un disco circumplanetario tendrá un tamaño máximo de disco de 0,4 veces el radio de Hill [ 6 ] [ 7 ] . El disco también tiene una "zona muerta" en el plano medio que es no turbulenta y una superficie de disco turbulenta. La zona muerta es una región favorable para la formación de satélites (exolunas). [ 8 ] El disco circumplanetario pasará por diferentes etapas de evolución. Se propuso una clasificación similar a la de los objetos estelares jóvenes . En la etapa inicial, el disco circumplanetario estará lleno. Los satélites recién formados crearán un hueco cerca del planeta, convirtiendo el disco en un disco de transición. En la última etapa, el disco está lleno, pero tiene una densidad baja y puede clasificarse como evolucionado. [ 3 ] Además de un disco circumplanetario, un protoplaneta también puede impulsar un flujo de salida. [ 9 ] [ 10 ] Se ha identificado un flujo de salida de este tipo mediante SiS impactado para HD 169142b . [ 11 ]

Los discos circumplanetarios son consistentes con la formación de los satélites galileanos . Los modelos anteriores no eran consistentes con la composición helada de las lunas y la diferenciación incompleta de Calisto . Un disco circumplanetario con un flujo de entrada de 2*10 −7 M J /año de gas y sólidos era consistente con las condiciones necesarias para la formación de las lunas, incluyendo la baja temperatura durante la etapa final de la formación de Júpiter . [ 12 ] Pero simulaciones posteriores encontraron que el disco circumplanetario era demasiado caliente para que los satélites se formaran y sobrevivieran. [ 13 ] [ 7 ] Esto se resolvió más tarde introduciendo la zona muerta dentro de los discos circumplanetarios, que es una región favorable para la formación de satélites y explica la órbita compacta de los satélites galileanos. [ 8 ]

Candidatos alrededor de exoplanetas

En el pasado se sospechaba que 2M1207b tenía un disco circumplanetario. [ 14 ] Nuevas observaciones del JWST / NIRSpec pudieron confirmar la acreción de un disco invisible al detectar la emisión de hidrógeno y helio. Sin embargo, la clasificación de disco circumplanetario está en disputa porque 2M1207b (o 2M1207B) podría clasificarse como un sistema binario junto con 2M1207A y no como un exoplaneta. Esto convertiría al disco alrededor de 2M1207b en un disco circunestelar , a pesar de no estar alrededor de una estrella, sino alrededor de un objeto de masa planetaria de 5-6 M Jup . [ 15 ]

En agosto de 2018, los astrónomos informaron sobre la probable detección de un disco circumplanetario alrededor de CS Cha B. [ 16 ] Los autores afirman que "El sistema CS Cha es el único sistema en el que es probable que exista un disco circumplanetario, así como un disco circunestelar resuelto". [ 17 ] Sin embargo, en 2020, los parámetros de CS Cha B fueron revisados, lo que lo convierte en una estrella enana roja con acreción y hace que el disco sea circunestelar . [ 18 ]

También se han detectado posibles discos circumplanetarios alrededor de exoplanetas, HD 100546 b , [ 19 ] AS 209 b [ 20 ] y HD 169142 b [ 21 ] o compañeros de masa planetaria (PMC; 10-20 M J , separación ≥100 UA), como GSC 06214-00210 b [ 22 ] y DH Tauri b . [ 23 ]

Se detectó un disco en submilimétrico con ALMA alrededor de SR 12 c , un compañero de masa planetaria. SR 12 c podría no haberse formado a partir del material del disco circunestelar de la estrella anfitriona SR 12, por lo que podría no considerarse un verdadero disco circumplanetario. Los discos PMC son relativamente comunes alrededor de objetos jóvenes y son más fáciles de estudiar en comparación con los discos circumplanetarios. [ 24 ] El protoplaneta Delorme 1 (AB)b muestra una fuerte evidencia de acreción de un disco circumplanetario, pero el disco hasta ahora (septiembre de 2024) no se detecta en el infrarrojo. [ 25 ] Se detectó un disco alrededor del planeta YSES 1b con el Telescopio Espacial James Webb . El disco muestra emisión de pequeños granos de olivino caliente . Esto se ve como evidencia de colisiones entre satélites que se forman dentro del disco. [ 26 ]

Se detectaron varios discos alrededor de objetos cercanos aislados de masa planetaria . Se encontraron discos alrededor de tales objetos dentro de 300 pársecs en el Complejo Rho Ophiuchi , [ 27 ] Complejo Taurus (por ejemplo, KPNO-Tau 12 ), [ 27 ] [ 28 ] Nube Lupus I [ 29 ] y el Complejo Chamaeleon (por ejemplo, el bien estudiado OTS 44 y Cha 110913−773444 [ 30 ] ). Un notable objeto cercano con disco flotante libre es 2MASS J11151597+1937266 , que está a solo 45 pársecs de distancia. Podría ser un objeto de masa planetaria o una enana marrón de baja masa. [ 31 ] Estos objetos con discos son flotantes libres y la mayoría de las veces se les llama discos circunestelares, a pesar de que probablemente sean similares a los discos circumplanetarios.

PDS 70

El disco que rodea al planeta c del sistema PDS 70 es la mejor evidencia de un disco circumplanetario en el momento de su descubrimiento. El exoplaneta forma parte del sistema estelar multiplanetario PDS 70, a unos 370 años luz (110 pársecs) de la Tierra. [ 32 ]

PDS 70b

En junio de 2019, los astrónomos informaron de la detección de evidencia de un disco circumplanetario alrededor de PDS 70b [ 33 ] utilizando espectroscopia y firmas de acreción. Ambos tipos de estas firmas se habían detectado previamente para otros candidatos planetarios. Una caracterización infrarroja posterior no pudo confirmar la evidencia espectroscópica del disco alrededor de PDS 70b e informa de una evidencia débil de que los datos actuales favorecen un modelo con un único componente de cuerpo negro. [ 34 ] Las observaciones interferométricas con el sensor de guía fina y el generador de imágenes de infrarrojo cercano y el espectrógrafo sin rendija del telescopio espacial James Webb y los datos archivados encontraron evidencia tentativa de que PDS 70b tiene un disco circumplanetario. [ 35 ]

PDS 70c

En julio de 2019, los astrónomos informaron de la primera detección, utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] , de un disco circumplanetario. [ 36 ] [ 37 ] [ 39 ] Los estudios con ALMA, que utilizan longitudes de onda milimétricas y submilimétricas , son mejores para observar el polvo concentrado en regiones interplanetarias, ya que las estrellas emiten relativamente poca luz en estas longitudes de onda y las observaciones ópticas suelen estar oscurecidas por el resplandor abrumador de la estrella anfitriona brillante. El disco circumplanetario se detectó alrededor de un exoplaneta joven y masivo, similar a Júpiter , PDS 70c . [ 36 ] [ 37 ] [ 39 ]

Según Andrea Isella , investigadora principal de la Universidad Rice en Houston, Texas , "Por primera vez, podemos ver de manera concluyente los signos reveladores de un disco circumplanetario, lo que ayuda a respaldar muchas de las teorías actuales sobre la formación de planetas ... Al comparar nuestras observaciones con las imágenes infrarrojas y ópticas de alta resolución , podemos ver claramente que una concentración de partículas de polvo diminutas , de otro modo enigmática , es en realidad un disco de polvo que rodea un planeta, la primera característica de este tipo observada de manera concluyente". [ 38 ] Jason Wang de Caltech, investigador principal de otra publicación, explica: "Si un planeta parece estar sobre el disco, como es el caso de PDS 70c" [ 40 ], entonces la señal alrededor de PDS 70c debe estar separada espacialmente del anillo exterior, lo cual no ocurrió en 2019. Sin embargo, en julio de 2021 se presentaron datos de mayor resolución y resueltos de manera concluyente. [ 41 ]

El planeta PDS 70c se detecta en H-alfa , lo que se considera evidencia de que acumula material del disco circumplanetario a una tasa de 10−8 ± 0,4 M J por año. [ 42 ] A partir de observaciones de ALMA se demostró que este disco tiene un radio menor que 1,2 unidades astronómicas (UA) o un tercio del radio de Hill . La masa de polvo se estimó alrededor de 0,007 o 0,031 M 🜨 (0,57 a 2,5 masas lunares ), dependiendo del tamaño de grano utilizado para el modelado. [ 41 ] Modelado posterior mostró que el disco alrededor de PDS 70c es ópticamente grueso y tiene una masa de polvo estimada de 0,07 a 0,7 M 🜨 (5,7 a 57 masas lunares). La masa total (polvo+gas) del disco debería ser mayor. La luminosidad del planeta es el mecanismo de calentamiento dominante dentro de 0,6 UA del CPD. Más allá de eso, los fotones de la estrella calientan el disco. [ 43 ] Las observaciones realizadas con JWST NIRCam mostraron una gran estructura en forma de espiral cerca de PDS 70c. Esta estructura solo se observa después de eliminar el disco que rodea a PDS 70. Parte de esta estructura en forma de espiral se interpretó como una corriente de acreción que alimenta el disco circumplanetario alrededor de PDS 70c. [ 44 ]

Véase también

Referencias

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  • Galería de imágenes de discos de polvo circunestelar ( Paul Kalas ; " Sitio de aprendizaje ")
  • Vídeo (1:20) − Disco circumplanetario formador de lunas en YouTube ( ESO ; julio de 2021)