ALMA aclara el complejo proceso de formación de estrellas gigantes

Un grupo de científicos dirigido por Aya Higuchi, investigador de la Universidad de Ibaraki en Japón, realizó observaciones de la incubadora de estrellas masivas conocida como IRAS 16547-4247 usando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Los resultados de la observación revelaron la presencia de al menos dos chorros de gas emitidos por una protoestrella, un indicio de la posible presencia de dos estrellas recién nacidas. Asimismo, el análisis de la línea molecular de las emisiones de metanol reveló en gran detalle una estructura en forma de reloj de arena formada por chorros de gas que fluyen hacia fuera y expulsan el gas ambiente. Es la primera vez que se descubre este tipo de estructura en observaciones de nubes de metanol presentes en áreas donde se forman estrellas masivas.

Las estrellas que vemos brillar de noche tienen masas que varían mucho. Algunas tienen menos de una décima parte de la masa de nuestro Sol, mientras que otras tienen masas equivalentes a más de 100 masas solares. Uno de los misterios más importantes e intrigantes que la astronomía todavía no ha sido capaz de desvelar es por qué se forman estrellas tan distintas y qué factores determinan las diferentes masas que pueden tener. Estas preguntas no pueden responderse sin hacer observaciones detalladas de varias estrellas con distintas masas durante su formación.

El proceso de formación de estrellas masivas de más de 10 masas solares todavía no se conoce muy bien. Observar en detalle este tipo de estrellas durante el comienzo de su proceso de formación es una tarea complicada debido a que son menos numerosas que las estrellas con masa equivalente a la masa solar y su evolución es más rápida que la de las estrellas de baja masa. Otro factor que dificulta su estudio es su distancia de la Tierra: mientras las zonas que incuban estrellas de baja masa se encuentran a unos 500 años luz de nosotros, las incubadoras de estrellas masivas están más lejos, e incluso la más cercana, la nebulosa de Orión, está a 1500 años luz de distancia. Por esa razón es imposible comprender en detalle los procesos de formación de las estrellas masivas sin realizar observaciones de alta resolución angular. ALMA es el telescopio más idóneo para esta misión al ser capaz de observar en alta resolución y con gran nivel de detalle las nubes de polvo y gas que alimentan las estrellas.

Observaciones con ALMA

El equipo de investigación encabezado por Aya Higuchi observó la luminosa fuente infrarroja IRAS 16547-4247, ubicada en dirección de la constelación del Escorpión. IRAS 16547-4247 es un objeto situado a 9500 años luz de la Tierra que emite una fuerte radiación con una intensidad de aproximadamente 60 veces la luminosidad del Sol y está rodeado por una nube molecular de alta densidad cuya masa se estima en 1300 veces la masa solar. Las radio-observaciones de las moléculas de monóxido de carbono (CO) hechas anteriormente en esta zona habían revelado un par de chorros atribuidos entonces a una joven estrella, aunque se detectaron otras fuentes de radiación, tales como un objeto luminoso presente en el centro. «Aunque muchos astrónomos dieron por sentado que se trataba de una fértil zona donde se forman estrellas masivas, no teníamos cómo estudiar las condiciones cinemáticas del gas que rodea las protoestrellas masivas con el nivel de resolución que ofrecían los telescopios disponibles entonces«, recuerda Higuchi.

Para estudiar la estructura y las características cinemáticas del gas presente alrededor de IRAS 16547-4247, el grupo de investigación observó la línea molecular del polvo, el CO y el metanol (CH₃OH). Las observaciones del polvo revelaron que el centro de la región contiene dos nubes de gas de alta densidad con masas de 10 a 20 masas solares. Los astrónomos creen que esas nubes de gas rodean una estrella masiva en plena formación como si fueran un capullo.

De las observaciones del CO se desprendió que los chorros, que antes se veían como un objeto borroso estirado de norte a sur, en realidad eran dos pares de chorros alineados en dirección norte-sur y este-oeste, respectivamente. Las observaciones también revelaron nuevos chorros a alta velocidad. Al aportar una resolución angular 36 veces superior a la de las observaciones anteriores del CO, los resultados obtenidos con ALMA revelaron con gran claridad los detalles de la compleja estructura y las características cinemáticas del gas. Considerando que, en principio, una protoestrella es capaz de generar solo un par de chorros, estos resultados indican que hay varias estrellas formándose al mismo tiempo en esta zona.

Asimismo, los investigadores descubrieron que las moléculas de metanol se alejan del centro de IRAS1654-4247 describiendo una estructura de reloj de arena. El CH₃OH normalmente se genera en la superficie del polvo, pero cuando la temperatura aumenta como consecuencia de algún proceso, el CH₃OH se desprende de la superficie, se convierte en gas y emite ondas de radio.

Puesto que la estructura de reloj de arena generada por la distribución de CH₃OH sigue el contorno del chorro de CO observado, los investigadores creen que el CH₃OH fue producido por la interacción con el gas ambiente que resultó expulsado por el chorro de la protoestrella y que, al elevar la temperatura, provocó su transformación en gas. Si bien este tipo de estructura en forma de reloj de arena se ha observado a menudo alrededor de protoestrellas de baja masa, esta es la primera vez que se encuentra CH₃OH con esta forma en una zona de formación de estrellas masivas. Por lo demás, las observaciones anteriores revelaron la presencia de una fuente de máser que emite ondas de radio extremadamente intensas en la extensa línea del chorro de CO. Aunque no se sabe cómo se genera la fuente de máser en este objeto, los resultados de la nueva observación indican que se debe al choque producido entre el chorro a alta velocidad y el gas ambiente.

«Hicimos radio-observaciones del monóxido de carbono y del metanol para estudiar en detalle la distribución y las características cinemáticas del gas en la zona donde hay cúmulos en los que se forman estrellas masivas«, explica Higuchi. «Un ejemplo típico de zona donde se forman estrellas masivas es la nebulosa de Orión, pero ALMA nos permitió observar el complejo ambiente de formación de cúmulos estelares situados a una distancia siete veces más grande y con la capacidad de resolución más alta que se haya logrado a la fecha. ALMA será una herramienta indispensable para el estudio de esta incubadora de estrellas masivas«. Los resultados de esta observación se publicaron en un artículo de la revista Astrophysical Journal Letters.

(OBSERVATORIO ALMA/DICYT)