Sintonizando la estación del polvo cósmico

Por Joaquín Ramírez Ramírez

A cinco mil metros de altura, en un desierto en el norte de Chile, se encuentra un conjunto de 66 antenas que captan las ondas de radio de estrellas lejanas. Akimasa Kataoka, investigador del Instituto de Astrofísica Teórica de la Universidad de Heidelberg, junto con su equipo de colaboradores de distintas universidades de Japón, determinó el tamaño de pequeñas partículas de polvo cósmico. Estas se encuentran alrededor de una estrella joven de 5 millones de años. Las ondas de radio polarizadas trajeron la información a la Tierra.

El trabajo se publicó recientemente en The Astrophysical Journal Letters y utilizó el poderoso telescopio ALMA (Atacama Large Millimiter/submillimiter Array) para captar la luz de la estrella HD 142527, que se encuentra a 500 años luz de la Tierra y tiene aproximadamente dos veces el tamaño del Sol. El estudio del polvo cósmico, la materia prima para la formación de planetas (en los llamados discos protoplanetarios), nos puede dar información valiosa sobre el origen y evolución de nuestro sistema solar.

“Es un trabajo interesante”, dice la doctora Laurence Sabin del Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México, quien no estuvo involucrada en el trabajo. “Son los primeros datos polarimétricos que se obtienen con ALMA para un disco protoplanetario evolucionado; nos dan una nueva perspectiva, con más resolución de lo que se había hecho antes”.

El mensaje de las ondas

Las estrellas emiten luz de diferentes longitudes de onda (luz visible, infrarroja, UV, rayos X u ondas de radio) como resultado de reacciones nucleares que ocurren en su interior. Esta radiación interacciona con la materia que se encuentra a su alrededor y puede ser desviada o absorbida por el polvo, que son partículas pequeñas compuestas de distintos elementos, como carbono o silicio.

Cuando el polvo absorbe la energía de la radiación de la estrella, los granos se calientan. Luego, liberan la energía en forma de luz de diferente tipo; esto depende del tamaño de las partículas y de la longitud de onda de la luz que absorbieron.

A veces, la luz que se emite está polarizada, es decir, las ondas que se propagan tienen una dirección preferencial (ver recuadro). Los científicos proponen que la luz se puede polarizar por dos razones distintas. La primera explicación consiste en que las partículas de polvo (si tienen una forma alargada) polarizan la luz porque se encuentran alineadas por la acción de un campo magnético. La otra tiene que ver con que las partículas tengan un cierto tamaño y distribución que les permita emitir una fracción de la luz con polarización (modelo de autodispersión).

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De acuerdo con los datos del doctor Kataoka, es probable que la luz polarizada que captaron con ALMA se originó por la existencia de partículas de un tamaño aproximado de 150 micras, esto es, 0.15 milímetros.

“Si los granos son muy pequeños comparados con la longitud de onda observada, no detectamos la polarización”, dice el doctor Kataoka. “Si el tamaño del grano es muy grande, entonces la dispersión es simple y no se produce ninguna polarización”. Así, el hecho de que hayan detectado polarización en la luz es una señal de que las partículas son del tamaño adecuado.

Pero, ¿cómo saben que la polarización no se debió a que las partículas estaban alineadas con el campo magnético?

El secreto del campo magnético

La polarización causada por el polvo se ha utilizado para mapear (y a veces medir) los campos magnéticos y así investigar el papel que pueden tener estos en la física, química y dinámica de los objetos, explica la doctora Sabin.

En los discos protoplanetarios, se supone que los campos magnéticos tienen una forma toroidal (ver recuadro). El doctor Kataoka observó que la dirección de la luz polarizada en el interior del campo era diferente a la de la región externa. Esto fue la clave para descartar el modelo de la polarización causada por el alineamiento de las partículas.

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La dirección de la polarización siempre es perpendicular a la dirección de la radiación.“En el anillo, la radiación es a lo largo de este, que es la dirección azimutal, y entonces los vectores de polarización son radiales”, explica el doctor. “Si te mueves hacia las afueras del disco, la radiación es de adentro hacia afuera (es decir, radial). Entonces, los vectores de polarización son azimutales”. Como una escuadra donde uno de los lados es la radiación de la estrella y el otro es la luz polarizada que emiten los granos de polvo.

Los campos magnéticos no deberían tener estos cambios de orientación de 90° en los discos protoplanetarios, así que el modelo de autodispersión es más adecuado para explicar las observaciones.

Divide y vencerás

Solo una pequeña porción de las ondas de radio que emiten las partículas de polvo están polarizadas. Se necesita una antena muy grande y sensible para poder captarlas. Además, las antenas deben estar en un lugar donde no haya mucha humedad, pues las moléculas de agua de la atmósfera terrestre pueden absorber las ondas de radio.

El radiotelescopio ALMA se localiza en un lugar estratégico: el desierto de Atacama. Allí, la altura y la extrema sequía favorecen la captación de ondas de radio submilimétricas (0.1-1.0 mm) y milimétricas (1-10 mm). Está constituido de muchas antenas más pequeñas que simulan una antena de varios kilómetros de diámetro mediante la técnica de interferometría. Técnicamente es más conveniente para obtener una mayor resolución y estos arreglos completan el trabajo hecho con antenas gigantes, como la del Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, en México.

Las antenas individuales se pueden mover para crear diferentes configuraciones y así simular antenas de distintos tamaños. Además, con la ayuda de receptores de polarización especiales se puede sintonizar la estación de radio del polvo cósmico.

El trabajo del doctor Kataoka abre la puerta para más estudios relacionados con el polvo cósmico utilizando ALMA. “Los agregados de polvo podrían ser extremadamente porosos, más de lo que pensábamos”, dice el investigador. “Podrían ser más ligeros que el aire”.

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Disco de polvo alrededor de la estrella HD 142527 observado con ALMA. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Kataoka et al. 2016.

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