Behind the scenes of protostellar disk formation

This image shows the protoplanetary disc surrounding the young star HL Tauri,
revealing substructures within the disc that have never been seen before.
 It even shows the possible positions of planets forming in the
dark patches within the system. Credit: Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

For a long time the formation of protostellar disks – a prerequisite to the formation of planetary system around stars – has defied theoretical astrophysicists: In a dense, collapsing cloud of gas and dust, the magnetic field would be dragged to the centre as well resulting in a braking effect. Hardly any rotationally supported disk can form this way, unless the tiny grains are removed from the cloud by growing or coagulating into bigger grains. This is the result from a new study published by researchers at the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics and other intuitions. The more realistic simulations now take into account non-ideal magneto-hydrodynamics and ionization chemistry to form a rotationally supported protostellar disk.

Although rotationally supported disks are frequently observed around young stellar objects, theoretical studies have found it difficult to form such disks. The main problem is the magnetic field in the interstellar matter, which will lead to the so-called “magnetic braking catastrophe”, even for moderate magnetic field strengths. In models using ideal magneto-hydrodynamics (MHD) the gas is “frozen” into the magnetic field, and the field lines are dragged towards the centre by the collapsing gas resulting an hourglass-shaped magnetic field. Strongly pinched field lines connect materials in the stellar vicinity and that in the envelope much further out, transferring angular momentum away from the centre. Even in non-ideal MHD models where neutral matter is allowed to drift relative to the magnetic field, the formation of rotationally supported disks remains difficult, if a standard ionization chemistry is used in computing the non-ideal MHD effects.

“The problem are the tiny dust grains; if they are absent we do get a rotationally supported disk”, states Bo Zhao, lead author of the paper now published in MNRAS. “These tiny grains, easily charged by absorbing ions and electrons, are effective both in coupling to the magnetic field and in collision with their surrounding molecules. In other words, the neutral matter is still relatively well coupled to the magnetic field because of these tiny grains. However, if we remove them, the larger grains do not couple as effectively and the neutral matter of the cloud can sneak much faster through the magnetic field lines and eventually form a disk with enough rotation support.”

This image shows a colour composite of visible and near-infrared observations
of the dark cloud Barnard 68. At these wavelengths, the small cloud is completely o
paque because of the obscuring effect of dust particles in its interior. Credit: ESO

Interstellar molecular clouds are made up of both gas and dust grains, with a “standard” distribution of grain sizes that includes a large population of nanometre-size grains. However, such a size distribution may not represent the denser part of the molecular clouds. In cold dense molecular clouds, tiny grains of nanometre size may behave as large molecules and freeze on the surface of larger dust grains. Further support for this idea also comes from centimetre-wavelength observations trying to detect emission from spinning dust grains; they too show a lack of tiny grains with size below a few nanometres in dense molecular clouds.

“When grains are mostly larger than 0.1 micrometres, the rotationally supported disks can become massive enough to be self-gravitating and evolve into rings”, says Zhao. “Such a structure in 3D could easily fragment into multiple stellar systems, which may also help explain the high multiplicity of stars in our Milky Way.” 

“It is surprising to find that the removal of small dust grains can avoid the ‘magnetic braking catastrophe’ in disk formation,” says Paola Caselli, co-author of the paper. “This is a breakthrough in our understanding of how protoplanetary disks form. At the same time, it demonstrates that chemistry and microphysics are crucial to the fundamental processes in the field of star and planet formation."

Source: Max Planck Institute for extraterrestrial Physics MPE

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Entre bastidores en la formación del disco protoestelar

The collapse of a rotating molecular cloud leads to the formation
of a large rotationally supported disk if very small grains are removed (b).
The strong magnetic braking in the presence of very small
grains suppresses the formation of such a disk (a). © MPE

Desde hace mucho tiempo la formación de discos protoestelares – un prerrequisito en la formación planetaria alrededor de las estrellas – ha desafiado a los astrofísicos teóricos: En una densa nube de gas y polvo que está colapsando, el campo magnético seria arrastrado hacia el centro resultando en un efecto de frenado. Difícilmente cualquier tipo de disco basado en rotaciones podría formase de esta manera, a no ser que los diminutos granos sean extraídos de la nube por medio del crecimiento o que coagulen en granos mayores. Este es el resultado de un nuevo estudio publicado por investigadores del Instituto Max Planck de Astrofísica Extraterrestre y otras intuiciones. A día de hoy las simulaciones más realistas tiene en consideración una Magnetohidrodinámica no ideal y la ionización química para la que es la creación protoestelar basada en discos. 

Aunque la formación protoestelar basada en discos es observada frecuentemente alrededor de jóvenes objetos estelares, los estudios teóricos encuentra difícil la formación de dichos discos. El principal problema radica en el campo magnético hallado en la materia interestelar, que conduce a la llamada “ruptura magnética catastrófica”, incluso para campos magnéticos de moderada fuerza. En los modelos usando una Magnetohidrodinámica ideal (MHD) es gras se “congela” en un campo magnético, y líneas de campo son arrastradas hacia el centro por el gas que colapsa resultante en un campo magnético con forma de reloj de arena. Fuertes líneas de campo comprimidas conectan material en los alrededores estelares vecino en un campo envolvente más allá, transfiriendo momento angular desde el centro. Incluso en un modelo no ideal de MHD en donde masa neutral se le permite estar relativamente esparcida en el campo magnético, la formación basada en un disco rotacional sigue siendo difícil, si se empela una ionización química estándar computarizando los efectos de un MHD no ideal. 

“El problema son los diminutos granos de polvo; si estos no están presentes obtenemos un disco basado en las rotaciones”, asegura Bo Zhao, director de la publicación que ha sido publicada ahora en MNRAS. “Estos diminutos granos, fácilmente cargable con la absorción de iones y electrones, son igualmente efectivos tanto en el acoplamiento al campo magnético como en la colisión con las moléculas que les rodean. En otras palabras, la materia neutra esta aun todavía lo suficientemente bien acoplada al campo magnético debido a estos diminutos granos. Sin embargo, si los quitásemos, los granos mayores no se acoplarían de forma tan efectiva y la materia neutra de la nube puede migrar más rápidamente a través de las líneas de campo magnéticas y eventualmente formar un disco con el suficiente apoyo de rotación.”

Nubes de moléculas interestelares se componen tanto de gas como de granos de polvo, con una distribución “estándar” de granos que incluyen una población grande de granos de nano tamaño. Sin embargo, tal distribución de tamaño puede no representar a la parte más densa de la nube de molecular. En nubes moleculares más frías y densas, granos diminutos de nano tamaño podrían tener moléculas tan grandes y helarse en la superficie de granos más grandes. Soporte adicional que apoya esto viene de las observaciones realizadas en las ondas de centímetro intentando detectar emisiones de estos granos de polvo en rotación; esto también muestran una carencia en granos diminutos por debajo unos pocos nanómetros en tamaño en lo que son nubes moleculares densas.

“Cuando los granos son en su mayoría de 0.1 micrómetro, el disco basado en la rotación puede llegar a ser lo suficientemente masivo para convertirse en auto gravitacional y evolucionar en u nanillo”, dice Zhao. “Tal estructura en 3D podría fácilmente fragmentarse en múltiples sistemas estelares, lo cual podría también explicar la alta multiplicidad de estrellas en nuestra Vía Láctea.” 

“Es sorprendente descubrir que al quitar tal diminuta partícula de grano conlleve el eludir la ‘ruptura magnética catastrófica’ en la formación del disco. A la misma vez, se demuestra que la química y la microfísica son cruciales en los procesos fundamental en el campo de la formación de estrellas y planetas.”

Fuentes: Instituto Max Planck de Astrofísica Extraterrestre MPE

The plot on the left shows the density distribution in a collapsing gas cloud for the standard distribution of grain sizes. Even though there is a concentration towards the centre, the disk is not rotationally supported, i.e. not stable enough to form stars and planets. The plot on the right shows the same, but with the smallest grains removed. In this case, there angular momentum influx to the disk leading to a much larger, rotationally supported disk. © MPE