El nacimiento de cúmulos estelares unidos por la gravedad

Un equipo de investigación taiwanés usó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para observar una gran aglomeración de gas molecular llamada G33.92+0.11, donde se está formando un cúmulo de estrellas masivas. Gracias a su capacidad para producir imágenes de altísima calidad, ALMA permitió observar con un nivel de detalle sin precedentes la delicada estructura del gas molecular presente en el centro de esta zona, donde parece haber dos brazos de gas molecular extraordinariamente grandes describiendo espirales alrededor de dos núcleos moleculares masivos. Estos resultados revelan que los grandes brazos moleculares funcionan como cunas para sus densos núcleos, donde nacen o nacerán estrellas masivas. Este es un paso fundamental para comprender cómo se distribuye la masa que forma los núcleos y estrellas masivos.

El nacimiento de cúmulos estelares unidos por la gravedad, como por ejemplo los cúmulos jóvenes masivos y los cúmulos globulares, sigue siendo un misterio para la astrofísica. La formación de sistemas tan complejos requiere la conversión de grandes cantidades de gas en estrellas con pérdidas mínimas antes de que sus vientos comiencen a dispersar el gas, en un fenómeno conocido como retroalimentación estelar, que dista mucho de ser sencillo. Según los modelos actuales, para gatillar una retroalimentación estelar, el colapso de la nube molecular madre tiene que ser muy rápido.

No obstante, observar el colapso de nubes moleculares gigantes constituye un verdadero desafío para los astrónomos, debido a que no tienen cómo medir distancias en su campo visual (los datos se proyectan en dos dimensiones) y porque es casi imposible medir velocidades de gas en direcciones perpendiculares. Ahora bien, el efecto amplificado de la rotación inicial (el impulso angular) de las nubes podría dar origen a la formación de aglomeraciones moleculares masivas sostenidas por las fuerzas centrífugas existentes en el centro de las nubes moleculares gigantes.

Así, la identificación de estructuras giratorias mayores que los núcleos podría ser una prueba del resultado de este colapso general. Asimismo, como las aglomeraciones moleculares masivas son las regiones más densas de estas nubes moleculares gigantes que colapsan, es allí donde probablemente se forma la mayor cantidad de estrellas masivas. Lograr observar en detalle las características morfológicas y cinemáticas de estos sistemas es un paso fundamental para comprender cómo se distribuye la masa en los lugares de formación de cúmulos estelares de tal manera que se formen estrellas masivas y no masivas.

Un equipo de investigación encabezado por Hauyu Baobab Liu, del Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica (Asiaa, en sus siglas en inglés), usó ALMA para observar la luminosa región de formación de cúmulos OB llamada G33.92+0.11, situada a una distancia cercana a los 23.000 años luz. Se trata de la etapa inicial de una asociación OB en plena formación que tiene una luminosidad equivalente a 250.000 veces la luminosidad del Sol. La mayor parte de su luz proviene de unas pocas estrellas masivas que contiene. El equipo usó imágenes de archivo Herschel de 350 micrómetros combinadas con otra imagen de 350 micrómetros obtenida por el Caltech Submillimeter Observatory (CSO) con una mayor resolución angular.

«Las imágenes de archivo del telescopio espacial Herschel proporcionaron un mapa de alta definición de las emisiones térmicas de 350 micrómetros de las polvorientas estructuras de gas presentes alrededor de G33.92+0.11″, señala Román-Zúñiga del Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México y coautor del estudio. «Nosotros completamos los pixeles faltantes usando datos del CSO. El mapa obtenido reveló dos brazos moleculares torcidos en direcciones opuestas, hacia el norte y el sur del cúmulo, que convergen en las aglomeraciones moleculares centrales, lo cual indica que quizá el gas es transportado hacia el cúmulo central a través de estos brazos por distancias de hasta 20 años luz», agrega.

La resolución angular sin precedentes de ALMA y la alta fidelidad de sus imágenes permitió a los astrónomos revelar la presencia de dos núcleos moleculares masivos (100 a 300 masas solares) en el centro de G33.92+0.11 A conectados por varios brazos densos de gas molecular en espiral. Esta morfología recuerda imágenes obtenidas anteriormente por ALMA de los brazos de gas molecular que rodean a la protoestrella binaria de baja masa L1551 NE, aunque a una escala linear mayor en un factor de entre 100 y 1.000. Asimismo, los brazos de gas observados en G33.92+0.11 A están fragmentándose, lo cual se traduce en la formación de múltiples núcleos satelitales que orbitan los dos núcleos de mayor masa. Al comparar los rastros de gas molecular observados en forma simultánea, tales como CH₃CN, ¹³CS, y DCN, se observa que las condiciones de excitación del gas en estos brazos y núcleos moleculares distan mucho de ser uniformes en todo el sistema. De hecho, los dos núcleos masivos en el centro ya albergan estrellas masivas y presentan luminosas emisiones de CH₃CN. Los brazos moleculares con núcleos satelitales en el norte pueden ser relativamente fríos, según se desprende de la buena correlación entre la línea de DCN y la emisión continua de polvo de 1’3 milímetros. Por último, los brazos moleculares conectados desde el oeste con los núcleos moleculares masivos del centro pueden contener gas que aumentó su temperatura por colisión o estar sujetos a radiación estelar, produciendo emisiones de ¹³CS más intensas.

El equipo sostiene que la región central de ~1 pc de G33.92+0.11 A es una aglomeración molecular masiva aplanada que actualmente produce material, alimentada por filamentos de gas exterior y sostenida en forma marginal por fuerzas centrífugas. En todas las escalas espaciales, las regiones de mayor densidad —aquellas que contienen una mayor cantidad de masa— se forman en el centro de los sistemas. Si bien es impedida por el impulso angular, la acreción podría ser facilitada por la fragmentación. Los autores también postulan que en los densos flujos de acreción, la formación de estructuras en forma de brazo en espiral puede ser crucial para el proceso. Así, la fragmentación subsiguiente de los densos brazos moleculares puede traducirse en la formación de estrellas masivas de segunda generación.

«Las estructuras de gas similares a brazos en espiral deberían de ser comunes en muchos sistemas a distintas escalas, siempre y cuando no sean estables bajo el efecto de la gravedad y no tengan una rotación insignificante», afirma Galván-Madrid, coautor del estudio. «Las magníficas imágenes producidas por ALMA comienzan a demostrarlo», concluye.

(OBSERVATORIO ALMA/DICYT)