Estrellas distantes, polvo de diamante y una misteriosa luz de microondas

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Las brillantes estrellas recién nacidas parecidas al sol nacen rodeadas por un disco giratorio y giratorio de gas y polvo que los astrónomos llaman discos de acreción protoplanetario , y estos discos circundantes contienen los preciosos ingredientes de los cuales emerge la familia de planetas y otros objetos de la estrella bebé. De hecho, se puede pensar en un disco de acreción protoplanetario como un disco de acreción para la propia estrella bebé, ya que los gases y otros materiales pueden caer desde el borde interior del disco hacia la superficie de la joven estrella hambrienta. Durante décadas, los astrónomos han estado tratando de descubrir la fuente de un misterioso tipo de luz de microondas que fluye desde varias regiones de nuestra Galaxia Vía Láctea. Estas extrañas emisiones de luz de microondas, denominadas emisiones de microondas anómalas (AME, por sus siglas en inglés) emanan de la energía liberada por las nanopartículas que giran rápidamente, que son diminutos trocitos de materia que son tan pequeños que no pueden ser detectados por los microscopios comunes. En junio de 2018, un equipo de astrónomos anunció sus descubrimientos de que algunos de los diamantes más diminutos del cosmos, fragmentos de carbono cristalino cientos de miles de veces más pequeños que un grano de arena, se han detectado girando alrededor de un trío de sistemas estelares recién nacidos en nuestro Galaxia. Estas gemas microscópicas no son tan preciosas ni tan raras como los diamantes en la Tierra. Sin embargo, son un tesoro para los astrónomos que los identificaron como la fuente del misterioso “resplandor” cósmico de microondas que emanaba de varios discos de acreción protoplanetarios en nuestra Galaxia.

Para tener una idea de cuán pequeñas son las nanopartículas, el período en una página impresa promedio es de unos 500,000 nanómetros.

“Aunque sabemos que algún tipo de partícula es responsable de esta luz de microondas, su fuente de precisión ha sido un rompecabezas desde que se detectó por primera vez hace casi 20 años”, explicó la Dra. Jane Greaves en un comunicado de prensa del Green Bank Observatory del 11 de junio de 2018. . El Dr. Greaves es astrónomo en la Universidad de Cardiff en Gales y autor principal de un artículo que anuncia este resultado publicado en Nature Astronomy. El telescopio Robert C. Byrd Green Bank está ubicado en Green Bank, West Virginia, y es el radiotelescopio más grande del mundo completamente dirigible. El sitio de Green Bank fue parte del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) hasta el 30 de septiembre de 2018.

Hasta este estudio, los astrónomos consideraban que los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) eran los culpables más probables de esta misteriosa emisión de microondas. Los HAP representan una clase de moléculas basadas en el carbono que se encuentran a través del espacio entre las estrellas. Estas moléculas se pueden identificar por la luz infrarroja (IR) distinta, pero de falla, que envían al espacio. Los nanodiamantes, específicamente los nanodiamantes hidrogenados (aquellos con abundantes moléculas que contienen hidrógeno en sus superficies), también se emiten de forma natural en la parte infrarroja del espectro electromagnético, pero a una longitud de onda diferente.

Discos protoplanetarios giratorios y giratorios

Las estrellas bebés, llamadas protoestrellas , nacen principalmente dentro de los pliegues secretos y fruncidos de una de las numerosas nubes gigantescas, frías y oscuras que atormentan a nuestra Galaxia Vía Láctea como fantasmas encantadores. Estas frías nubes nubladas están compuestas principalmente de hidrógeno molecular. Cuando una mancha acunada dentro de una nube molecular logra alcanzar un tamaño, masa o densidad crítica, comienza a colapsarse bajo su propia gravedad poderosa. A medida que la mancha colapsante, llamada nebulosa solar , se vuelve más y más densa bajo la fuerza implacable de la gravedad, los movimientos aleatorios de gas, que originalmente estaban presentes en la nube natal, comienzan a promediar la dirección de la nebulosa solar. momento angular. La conservación del momento angular hace que la rotación aumente mientras que, al mismo tiempo, el radio de la nebulosa disminuye. Esto hace que la nube se aplane en forma de panqueque. Imagine la forma en que una masa de pizza se aplana y luego toma la forma de un disco. El colapso inicial lleva unos 100.000 años. Después de que haya transcurrido ese tiempo, la estrella alcanza una temperatura en la superficie que es similar a la de una estrella de secuencia principal (quema de hidrógeno) de la misma masa, y ahora es visible.

Así es como una estrella bebé parecida al sol se convierte en un tipo de niño estelar llamado T Tauri. Lo que queda del gas y el polvo de la nube natal, después de haberse formado en el centro de una mancha densa, entra en la formación del disco de acreción protoplanetario del cual emergen los planetas, las lunas y los objetos más pequeños. En sus etapas más tempranas , los discos de acreción son a la vez ardientes y extremadamente masivos, y pueden permanecer alrededor de su joven estrella hasta diez millones de años antes de que desaparezcan, a veces arrastrados por el feroz viento de T Tauri o alternativamente, simplemente cesando Emite radiación una vez finalizada la acumulación. El disco protoplanetario más antiguo conocido tiene aproximadamente 25 millones de años.

Los discos de acreción protoplanetario se han descartado rodeando varias estrellas jóvenes en nuestra Vía Láctea. Las observaciones recientes llevadas a cabo por el Telescopio Espacial Hubble (HST) han revelado proplyds y discos planetarios dentro de la Nebulosa de Orión. Un proplyd es una abreviatura silábica de un disco protoplanetario ionizado. Los proplyds son discos fotoevaporantes iluminados externamente que giran alrededor de estrellas jóvenes. Hay 180 propiedades que habitan solo en la Nebulosa de Orión.

Los discos protoplanetarios son estructuras delgadas, que tienen una altura vertical típica significativamente más pequeña que el radio, así como una masa típica mucho más pequeña que la estrella joven central.

La masa de un disco protoplanetario típico está compuesta principalmente de gas. Sin embargo, las motas de polvo también desempeñan un papel destacado en la evolución de un disco . Las motas de polvo protegen el plano medio del disco de la radiación energética proveniente del espacio interestelar que forma una “zona muerta” en la que ya no funciona la inestabilidad magnetorotacional (MRI) .

Algunos astrónomos sugieren que estos discos están formados por una envoltura turbulenta de plasma. Esto también se denomina “zona activa”, que contiene una extensa región de gas inactivo (la “zona muerta”). La “zona muerta” se encuentra en el plano medio, y puede ralentizar el flujo de materia a través del disco, lo que da como resultado un estado estable.

Las espumosas estrellas T Tauri tienen diámetros grandes que son varias veces mayores que las de nuestro Sol. Sin embargo, todavía se están reduciendo. A diferencia de los niños humanos, T Tauris se encoge a medida que crecen. Cuando el niño estelar ha alcanzado esta etapa de desarrollo temprano, los materiales menos volátiles han comenzado a condensarse cerca del centro del disco de la caja, creando granos de polvo muy finos y pegajosos. Las delicadas motas de polvo contienen silicatos cristalinos.

Los pequeños granos de polvo pegajosos chocan entre sí y luego se fusionan en el entorno del disco de acreción protoplanetario de densidad. Como resultado, cada vez más grande, y más grande, y formar objetos más grandes – a partir del tamaño de guijarros, con el tamaño del canto rodado, con el tamaño de la montaña, a tamaño de la luna, con el tamaño del planeta. Estos objetos en crecimiento eventualmente se convierten en lo que denominamos planetesimales , los bloques de construcción primordiales de los planetas. Los plantesimales pueden alcanzar tamaños impresionantes de 1 kilómetro de ancho, o incluso más, y representan una población intensa dentro de un disco de acreción joven , girando alrededor de su niño estelar centelleante. También pueden quedarse alrededor de su estrella el tiempo suficiente para que algunos de ellos sigan estando presentes miles de millones de años después de que haya surgido un sistema planetario maduro. En nuestro Sistema Solar, los asteroides son los planetesimales rocosos y metálicos de reliquia que entraron en la formación del cuarto de los planetas principales internos: Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. En contraste, los cometas son las sobras heladas y polvorientas de los planetesimales congelados que contribuyeron a la aparición de los cuatro planetas gigantes gaseosos gigantes de las regiones externas de nuestro Sistema Solar: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.

Se cree que algunas de las muchas lunas de Júpiter, Saturno y Urano se han formado a partir de análogos circumplanetarios más pequeños de los discos de acreción protoplanetario. Decenas de millones de años después del nacimiento de nuestro Sistema Solar de 4.560 millones de años, las pocas unidades astronómicas (UA) de nuestro Sistema Solar probablemente albergaron docenas de cuerpos del tamaño de la Luna a Marte que se acrecentaban y consolidaban en el cuarto interior. Planetas terrestres sólidos. Una UA es equivalente a la separación promedio entre la Tierra y el Sol, que es de aproximadamente 93,000,000 millas.

Se cree que la propia Luna grande y fascinante de la Tierra nació después de que un protoplaneta del tamaño de Marte , llamado Theia , impactara oblicuamente a la proto-Tierra aproximadamente 30 millones de años después de la formación de nuestro Sistema Solar. Imagina lo que sucedería si Marte afectara a la Tierra para comprender la magnitud del evento catastrófico que supuestamente formó el compañero lunar de la Tierra.

AME en el cielo con diamantes

Una serie de observaciones realizadas por astrónomos que utilizan el Green Bank Telescope (GBT) de la National Science Foundation en Green Bank, West Virginia, y el Australia Telescope Compact Array (ATCA) han detectado, por primera vez, un trío de fuentes claras de la misteriosa AME. luz: los discos protoplanetarios que rodean a las jóvenes estrellas conocidas como V892 Tau, HD 97048 y MWC 297. El GBT observó el V892 Tau y el ATCA observó los otros dos sistemas.

“Esta es la primera detección clara de emisiones de microondas anómalas provenientes de discos protoplanetarios”, explicó el Dr. David Frayer en un comunicado de prensa del Green Bank Observatory del 11 de junio de 2018 . El Dr. Frayer es coautor del artículo y astrónomo del Observatorio Green Bank.

El equipo de astrónomos también explicó que la luz infrarroja que sale de estos sistemas coincide con la firma única de los nanodiamantes. Sin embargo, otros discos de acreción protoplanetarios en toda la galaxia galaxia tienen la clara firma infrarroja de los HAP, pero no muestran signos de la luz AME .

Esta observación afirma firmemente que los HAP no son la fuente misteriosa de radiación anómala de microondas , como lo habían propuesto muchos astrónomos. En cambio, los nanodiamantes hidrogenados, que se forman naturalmente en los discos protoplanetarios y se ven en los meteoritos en la Tierra, son el origen más probable de la luz AME en nuestra galaxia.

“En un método similar a Sherlock Holmes para eliminar todas las demás causas, podemos decir con confianza que el mejor candidato capaz de producir este brillo de microondas es la presencia de nanodiamantes alrededor de estas estrellas recién formadas”, comentó el Dr. Greaves en el 11 de junio de 2018 Green. Comunicado de prensa del Observatorio Bancario. Según sus observaciones, los astrónomos estiman que hasta el 1 a 2 por ciento del carbono total en estos discos protoplanetarios ha contribuido a la formación de nanodiamantes.

En las últimas décadas, la evidencia de nanodiamantes dentro de los discos de acreción protoplanetaria ha aumentado. Sin embargo, este estudio representa la primera conexión clara entre nanodiamantes y AME en cualquier entorno.

Los modelos estadísticos también sugieren fuertemente la teoría de que los nanodiamantes son muy abundantes alrededor de las estrellas recién nacidas y son responsables de la emisión anómala de microondas detectada allí. “Hay una posibilidad entre 10.000 o menos, de que esta conexión se debe a la posibilidad”, comentó el Dr. Frayer en el comunicado de prensa del Green Bank Observatory del 11 de junio de 2018 .

Para su estudio, los astrónomos usaron el GBT y el ATCA para inspeccionar 14 estrellas jóvenes en nuestra Galaxia, en busca de indicios de la emisión anómala de microondas. AME se observó claramente en 3 de las 14 estrellas, que también demostró ser las únicas tres estrellas de las 14 que muestran la firma espectral de infrarrojos de los nanodiamantes hidrogenados. “De hecho, estas son tan raras que otras estrellas no tienen la impresión infrarroja confirmada”, comentó el Dr. Greaves en el Comunicado de Prensa del Observatorio Green Bank.

Este descubrimiento tiene algunas implicaciones intrigantes para el estudio de la cosmología y la búsqueda de pruebas de que nuestro Universo comenzó con un período de inflación: la expansión exponencial más rápida que la velocidad de la luz del Espacio. Aunque no hay una señal conocida que pueda viajar más rápido que la luz en el vacío, el espacio en sí puede exceder este límite de velocidad universal. Si, de hecho, inmediatamente después del nacimiento del Big Bang del Universo hace casi 14 mil millones de años, se expandió a un ritmo que excedía ampliamente la velocidad de la luz, se debería observar una huella de ese período de inflación en una polarización peculiar del microondas cósmico. Radiación de fondo (CMB). El CMB es el radio de reliquia del Big Bang en sí. A pesar de que esta firma de polarización aún no se ha observado de manera concluyente, el trabajo de la Dra. Greaves y sus colegas ofrece cierta esperanza de que algún día podría ser así.

“Esta es una buena noticia para aquellos que estudian la polarización del fondo cósmico de microondas , ya que los nanodiamantes giratorios estarían débilmente polarizados en el mejor de los casos. Esto significa que los astrónomos ahora pueden hacer mejores modelos de la luz de microondas de primer plano de nuestra galaxia, que debe ser eliminada para estudia el lejano resplandor del Big Bang, “Dr. Brian Mason explicó en el comunicado de prensa del Green Bank Observatory del 11 de junio de 2018 . El Dr. Mason es astrónomo de la NRAO y coautor del artículo.

Los nanodiamantes probablemente se formen a partir de un vapor sobrecalentado de átomos de carbono en regiones de nacimiento de estrellas altamente energizadas. Esto es similar a los métodos industriales de crear nanodiamantes en la Tierra.

En astronomía, los nanodiamantes desempeñan un papel especial porque su estructura produce lo que se llama un “momento dipolar”. Esta es una disposición de átomos que les permite emitir radiación electromagnética cuando giran. Debido a que estos diamantes son tan pequeños (motas de polvo más pequeñas que lo normal que se arremolinan dentro de un disco de acreción protoplanetario) , son capaces de girar excepcionalmente rápido y emiten radiación en el rango de microondas en lugar del rango de longitud de onda del medidor, donde la radiación galáctica e intergaláctica generalmente se ahogaría fuera.

Esta es una resolución fresca e inesperada para el rompecabezas de la radiación anómala de microondas. Greaves comentó a la prensa el 11 de junio de 2018.

Los futuros instrumentos de ondas centimétricas, como los receptores de Banda 1 planeados en ALMA y el Array muy grande de próxima generación , podrán estudiar este fenómeno con mucho más detalle. Ahora que hay un modelo físico y, por primera vez, una clara firma espectral, los astrónomos pueden esperar una gran mejora en su comprensión científica de este misterio.

La coautora del estudio, la Dra. Anna Scaife de la Universidad de Manchester (Reino Unido) comentó en el comunicado de prensa de Green Bank del 11 de junio de 2018 que “es un resultado emocionante. Una forma inteligente de resumir nuestra investigación”.

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