Un equipo de astrónomos resuelve el misterio de la formación de estrellas masivas con el telescopio Very Large Array

Un equipo de astrónomos ha descubierto por primera vez una gran corriente de gas cerca de una estrella masiva en formación, lo que permite su rápido crecimiento. El descubrimiento ha sido posible gracias al telescopio Very Large Array (VLA) del Observatorio Nacional de Radioastronomía de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF NRAO). Al observar la joven estrella HW2 en la región de Cepheus A, ubicada a 2300 años luz de la Tierra, el equipo ha desvelado la estructura y dinámica de un disco de acreción que suministra material a esta estrella masiva.

El Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), a través de investigadores en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) está involucrado en el estudio publicado hoy en Astronomy & Astrophysics, liderado por el Instituto Nacional de Astrofísica de Italia (INAF) y el Instituto Max Planck de Radioastronomía.

Este hallazgo arroja luz ante una pregunta central en astrofísica: ¿Cómo acumulan su inmensa masa las estrellas masivas, que a menudo terminan sus vidas como supernovas? Cepheus A es la segunda región de formación estelar masiva más cercana a la Tierra, lo que la convierte en un laboratorio ideal para estudiar estos procesos tan desafiantes.

El equipo de investigación utilizó amoníaco (NH3), una molécula común en nubes de gas interestelar y ampliamente utilizada a nivel industrial en la Tierra, como indicador para cartografiar la dinámica del gas alrededor de la estrella. Las observaciones revelaron un anillo denso de gas de amoníaco caliente que abarca radios de 200 a 700 unidades astronómicas (UA) alrededor de HW2. Esta estructura fue identificada como parte de un disco de acreción, una característica clave en las teorías de formación estelar.

El estudio revela que el gas dentro de este disco está colapsando hacia el interior al mismo tiempo que gira alrededor de la estrella joven. Es destacable que la tasa de caída de material hacia HW2 se midió en dos milésimas de masa solar por año, una de las tasas más altas jamás observadas para una estrella masiva en formación. Estos hallazgos confirman que los discos de acreción pueden mantener tasas de transferencia de masa tan extremas como esta, incluso cuando la estrella central ya ha crecido hasta alcanzar 16 veces la masa de nuestro Sol.

«Nuestras observaciones proporcionan evidencia directa de que las estrellas masivas pueden formarse a través de la acreción mediada por discos, alcanzando hasta decenas de masas solares», afirma el Dr. Alberto Sanna, autor principal del estudio. «La incomparable sensibilidad del VLA del NSF nos permitió resolver características a escalas únicamente del orden de 100 UA, ofreciendo una visión sin precedentes de este proceso», añade.

El equipo también comparó sus observaciones con simulaciones de última generación sobre la formación de estrellas masivas. «Los resultados coincidieron estrechamente con las predicciones teóricas, mostrando que el gas de amoníaco cerca de HW2 está colapsando casi a velocidades de caída libre, mientras gira a velocidades subkeplerianas, un equilibrio dictado por la gravedad y las fuerzas centrífugas», explica el Prof. André Oliva, que realizó las simulaciones detalladas.

El estudio descubrió asimetrías en la estructura y turbulencia del disco, lo que sugiere que corrientes externas de gas —conocidas como ‘streamers’— podrían estar transportando material a un lado del disco. Se han observado tales corrientes en otras regiones de formación estelar y podrían desempeñar un papel crucial en la regeneración de discos de acreción alrededor de estrellas masivas.

Este descubrimiento resuelve décadas de debate sobre si HW2 y otras protoestrellas similares pueden formar discos de acreción capaces de sostener su rápido crecimiento. También refuerza la idea de que mecanismos físicos similares rigen la formación de las estrellas en una amplia gama de masas estelares.

«HW2 ha sido conocido durante más de 40 años hasta ahora y sigue inspirando nuevas generaciones de astrónomos», dice José María Torrelles, investigador del IEEC en el ICE-CSIC y coautor del estudio, que realizó algunas de las observaciones centrales de HW2 a finales de la década de los 90.

A principios de la década del 2000, gracias a potentes instrumentos como el VLA del NRAO, el Conjunto Submilimétrico (SMA) del Observatorio Astrofísico Smithsoniano (SAO) y el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica (ASIAA), Torrelles y otros colaboradores y colaboradoras presentaron evidencia de que HW2 tenía precisamente un disco de acreción a su alrededor con un chorro de materia asociado. El estudio actual demuestra inequívocamente la existencia de un disco de acreción con un patrón único de rotación y caída de gas hacia la protoestrella y pone fin a una discusión científica que se ha prolongado durante 25 años.

Los hallazgos fueron posibles gracias a observaciones de alta sensibilidad realizadas con el telescopio VLA del NSF en longitudes de onda centimétricas en 2019. El equipo se centró en transiciones específicas del amoníaco que se excitan a temperaturas superiores a los 100 Kelvin, lo que les permitió rastrear gas denso y cálido cerca de HW2.

«Estos resultados destacan el poder de la interferometría de radio para investigar los procesos ocultos detrás de la formación del objeto más influyente de nuestra galaxia», afirma el Dr. Todd Hunter del NRAO. «Y, en diez años, la próxima versión mejorada del VLA hará posible estudiar el amoníaco circunestelar a escalas comparables a las de nuestro sistema solar», añade.

Este trabajo no solo mejora nuestra comprensión sobre cómo se forman las estrellas masivas, sino que también tiene implicaciones para cuestiones más amplias sobre la evolución de las galaxias y el enriquecimiento químico del universo. Las estrellas masivas desempeñan un papel fundamental como motores cósmicos, impulsando vientos y explosiones que siembran las galaxias con elementos pesados.

Nota de prensa realizada en colaboración con el Instituto de Ciencias del Espacio.