Un equip d’astrònoms resol el misteri de la formació d’estrelles massives amb el telescopi Very Large Array

Un equip d’astrònoms ha descobert per primera vegada un gran corrent de gas a prop d’una estrella massiva en formació, fet que permet el seu ràpid creixement. La descoberta ha estat possible gràcies al telescopi Very Large Array (VLA) de l’Observatori Nacional de Radioastronomia de la Fundació Nacional de Ciències dels Estats Units (NSF NRAO). En observar la jove estrella HW2 a la regió de Cefeu A, ubicada a 2300 anys llum de la Terra, l’equip ha revelat l’estructura i la dinàmica d’un disc d’acreció que subministra material a aquesta estrella massiva. 

L’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), a través d’investigadors a  l‘Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), està involucrat en l’estudi publicat avui a Astronomy & Astrophysics, liderat per l’Institut Nacional d’Astrofísica d’Itàlia (INAF) i l’Institut Max Planck de Radioastronomia.

Aquest descobriment posa llum a una de les qüestions centrals de l’astrofísica: com acumulen la seva immensa massa les estrelles massives, que sovint acaben la seva vida com a supernoves? Cefeu A és la segona regió de formació d’estrelles massives més propera a la Terra, cosa que la converteix en un laboratori ideal per estudiar aquests processos tan desafiants.

L’equip de recerca va fer servir amoníac (NH3), una molècula comuna als núvols de gas interestel·lar i àmpliament utilitzada a la Terra, com a indicador per cartografiar la dinàmica del gas al voltant de l’estrella. Les observacions van revelar un anell dens de gas calent d’amoníac que s’estén entre els 200 i les 700 unitats astronòmiques de radi al voltant d’HW2 (una unitat astronòmica és la distància que separa la Terra del Sol). Aquesta estructura es va identificar com a part d’un disc d’acreció—una característica clau en les teories de formació estel·lar.

L’estudi ha trobat que el gas dins d’aquest disc està col·lapsant cap a l’interior al mateix temps que gira al voltant de l’estrella jove. És destacable que la taxa de caiguda de material sobre HW2 s’ha mesurat en dues mil·lèsimes de massa solar per any—una de les taxes més altes mai observades en una estrella massiva en formació. Aquests resultats confirmen que els discs d’acreció poden mantenir taxes de transferència de massa tan extremes com aquesta, fins i tot quan l’estrella central ja ha assolit 16 vegades la massa del Sol.

«Les nostres observacions aporten proves directes que les estrelles massives poden formar-se mitjançant acreció mediada per un disc fins a desenes de masses solars», afirma el Dr. Alberto Sanna, autor principal de l’estudi. «La sensibilitat sense precedents del VLA ens ha permès resoldre característiques en escales de només 100 UA, cosa que ofereix una visió inèdita d’aquest procés», afegeix.

L’equip també ha comparat les seves observacions amb simulacions d’avantguarda sobre formació d’estrelles massives. «Els resultats van coincidir estretament amb les prediccions teòriques i van mostrar que el gas d’amoníac proper a HW2 col·lapsa gairebé a velocitat de caiguda lliure mentre gira a velocitats sub-Keplerianes—un equilibri dictat per la gravetat i les forces centrífugues», explica el Prof. André Oliva, que va realitzar les simulacions detallades.

L’estudi va descobrir asimetries en l’estructura i turbulència del disc, cosa que suggereix que corrents externs de gas —anomenats ‘streamers’— podrien estar transportant material a un dels costats del disc. Aquests streamers s’han observat en altres regions de formació estel·lar i podrien jugar un paper crucial en la renovació dels discs d’acreció al voltant d’estrelles massives.

Aquest descobriment resol dècades de debat sobre si HW2 i altres protoestrelles similars poden formar discs d’acreció capaços de sostenir el seu ràpid creixement. També reforça la idea que mecanismes físics similars regeixen la formació estel·lar en una àmplia gamma de masses estel·lars.

«Fa més de 40 anys que es coneix HW2 i encara inspira noves generacions d’astrònoms», diu José María Torrelles, investigador de l’IEEC a l’ICE-CSIC i coautor de l’estudi, que va dur a terme observacions clau d’HW2 a finals dels anys 90.

A principis de la dècada del 2000, gràcies a potents instruments com el VLA del NRAO, el Conjunt Submil·limètric (SMA) de l’Observatori Astrofísic Smithsonià (SAO) i l’Institut d’Astronomia i Astrofísica de l’Acadèmia Sínica (ASIAA), Torrelles i altres col·laboradors van presentar proves que HW2 tenia precisament un disc d’acreció al seu voltant amb un raig de matèria associat. L’estudi actual demostra inequívocament l’existència d’un disc d’acreció amb un patró únic de rotació i caiguda de gas cap a la protoestrella i posa fi a una discussió científica que s’ha estès durant 25 anys.

Les troballes van ser possibles gràcies a observacions de gran sensibilitat amb el NSF VLA realitzades l’any 2019 en longituds d’ona centimètriques. Els investigadors van apuntar a transicions específiques de l’amoníac que s’exciten a temperatures superiors als 100 kelvin, per així traçar el gas dens i calent proper a HW2.

«Aquests resultats destaquen el poder de la interferometria de ràdio per explorar els processos ocults darrere de la formació dels objectes més influents de la nostra galàxia», diu el Dr. Todd Hunter del NRAO. «I, d’aquí a deu anys, la versió millorada del VLA permetrà estudiar l’amoníac circumestel·lar en escales comparables a les del nostre sistema solar», afegeix.

Aquest treball no només fa avançar el coneixement sobre com es formen les estrelles massives, sinó que també té implicacions per a preguntes més àmplies sobre l’evolució galàctica i l’enriquiment químic de l’univers. Les estrelles massives tenen un paper clau com a motors còsmics, generant vents i explosions que sembren les galàxies amb elements pesants.

Nota de premsa elaborada en col·laboració amb l’Institut de Ciències de l’Espai.

Sobre el IEEC

El Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) promueve y coordina la investigación y el desarrollo tecnológico espacial en Cataluña en beneficio de la sociedad. El IEEC fomenta las colaboraciones tanto a nivel local como mundial, y es un eficiente agente de transferencia de conocimiento, innovación y tecnología. Como resultado de más de 25 años de investigación de alta calidad, llevada a cabo en colaboración con las principales organizaciones internacionales, el IEEC se encuentra entre los mejores centros de investigación internacionales, centrados en áreas como: astrofísica, cosmología, ciencias planetarias y observación de la Tierra. La división de ingeniería del IEEC desarrolla instrumentación para proyectos terrestres y espaciales, y tiene una amplia experiencia trabajando con organizaciones privadas y públicas del sector aeroespacial y otros sectores de innovación.

El IEEC es una fundación del sector público sin ánimo de lucro, fundada en febrero de 1996. Está regida por un Patronato compuesto por la Generalitat de Catalunya, la Universitat de Barcelona (UB), la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC), y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). El IEEC es también un centro CERCA (Centres de Recerca de Catalunya).