Científicos revelan una teoría unificada para la formación de planetas rocosos
Por Robert Perkins, Instituto de Tecnología de California
12 de enero de 2023.
Representación artística de un disco protoplanetario con planetas en formación. Crédito: Caltech
Una nueva teoría sobre cómo se forman los planetas rocosos podría explicar el origen de las llamadas "supertierras", una clase de exoplanetas unas pocas veces más masivos que la Tierra que son el tipo de planeta más abundante en la galaxia.
Además, podría explicar por qué las súper-Tierras dentro de un solo sistema planetario a menudo terminan pareciendo extrañamente similares en tamaño, como si cada sistema solo fuera capaz de producir un solo tipo de planeta.
"A medida que nuestras observaciones de exoplanetas han aumentado durante la última década, ha quedado claro que la teoría estándar de formación de planetas debe revisarse, comenzando con los fundamentos. Necesitamos una teoría que pueda explicar simultáneamente la formación de los planetas terrestres en nuestro Sistema Solar, así como los orígenes de sistemas auto-similares de súper-Tierras, muchos de los cuales parecen de composición rocosa", dice el profesor de ciencia planetaria de Caltech Konstantin Batygin, quien colaboró con Alessandro Morbidelli del Observatoire de la Côte d'Azur en Francia sobre la nueva teoría. Nature Astronomy publicó un artículo que explica su trabajo el 12 de enero.
Los sistemas planetarios comienzan sus ciclos de vida como grandes discos giratorios de gas y polvo que se consolidan en el transcurso de unos pocos millones de años. La mayor parte del gas se acumula en la estrella en el centro del sistema, mientras que el material sólido se fusiona lentamente en asteroides, cometas, planetas y lunas.
En nuestro Sistema Solar, hay dos tipos distintos de planetas: los planetas interiores rocosos más pequeños que están más cerca del Sol y los gigantes gaseosos más grandes, ricos en agua e hidrógeno, que están más lejos. En un estudio anterior publicado en Nature Astronomy a fines de 2021, esta dicotomía llevó a Morbidelli, Batygin y sus colegas a sugerir que la formación de planetas en nuestro Sistema Solar ocurrió en dos anillos distintos en el disco protoplanetario: uno interior donde los pequeños planetas rocosos formado y uno externo para los planetas helados más masivos (dos de los cuales, Júpiter y Saturno, luego se convirtieron en gigantes gaseosos).
Las supertierras, como su nombre indica, son más masivas que la Tierra. Algunos incluso tienen atmósferas de hidrógeno, lo que los hace parecer casi gigantes gaseosos. Además, a menudo se encuentran orbitando cerca de sus estrellas, lo que sugiere que migraron a su ubicación actual desde órbitas más distantes.
"Hace unos años construimos un modelo en el que se formaban supertierras en la parte helada del disco protoplanetario y migraban hasta el borde interior del disco, cerca de la estrella", dice Morbidelli. "El modelo podría explicar las masas y las órbitas de las supertierras, pero predijo que todas son ricas en agua. Sin embargo, observaciones recientes han demostrado que la mayoría de las supertierras son rocosas, como la Tierra, incluso si están rodeadas por una atmósfera de hidrógeno. Eso fue la sentencia de muerte para nuestro viejo modelo".
Durante los últimos cinco años, la historia se ha vuelto aún más extraña como científicos, incluido un equipo dirigido por Andrew Howard, profesor de astronomía en Caltech; Lauren Weiss, profesora asistente de la Universidad de Notre Dame; y Erik Petigura, ex becario posdoctoral de Sagan en Astronomía en Caltech y ahora profesor en UCLA, estudiaron estos exoplanetas e hicieron un descubrimiento inusual: si bien existe una amplia variedad de tipos de súper Tierras, todas las súper Tierras dentro un solo sistema planetario tiende a ser similar en términos de espacio orbital, tamaño, masa y otras características clave.
"Lauren descubrió que dentro de un solo sistema planetario, las súper-Tierras son como 'guisantes en una vaina'", dice Howard, quien no estuvo directamente relacionado con el artículo de Batygin-Morbidelli pero lo revisó. "Básicamente tienes una fábrica de planetas que solo sabe cómo hacer planetas de una masa, y simplemente los expulsa uno tras otro".
Entonces, ¿qué proceso único podría haber dado origen a los planetas rocosos de nuestro Sistema Solar, pero también a sistemas uniformes de súper-Tierras rocosas?
"La respuesta resulta estar relacionada con algo que descubrimos en 2020 pero que no nos dimos cuenta de que se aplicaba a la formación planetaria de manera más amplia", dice Batygin.
En un artículo de 2020 publicado en The Astrophysical Journal, Batygin y Morbidelli propusieron una nueva teoría para la formación de las cuatro lunas más grandes de Júpiter (Io, Europa, Ganímedes y Calisto).
En esencia, demostraron que para un rango de tamaño específico de granos de polvo, la fuerza que arrastra los granos hacia Júpiter y la fuerza (o arrastre) que transporta esos granos en un flujo de gas hacia el exterior se cancelan perfectamente. Ese equilibrio de fuerzas creó un anillo de material que constituyó los bloques de construcción sólidos para la posterior formación de las lunas. Además, la teoría sugiere que los cuerpos crecerían en el anillo hasta que fueran lo suficientemente grandes como para salir del anillo debido a la migración impulsada por el gas. Después de eso, dejan de crecer, lo que explica por qué el proceso produce cuerpos de tamaños similares.
En su nuevo artículo, Batygin y Morbidelli sugieren que el mecanismo para la formación de planetas alrededor de estrellas es prácticamente el mismo. En el caso planetario, la concentración a gran escala de material rocoso sólido ocurre en una banda estrecha en el disco llamada línea de sublimación de silicato, una región donde los vapores de silicato se condensan para formar guijarros rocosos sólidos.
"Si eres un grano de polvo, sientes un viento de frente considerable en el disco porque el gas está orbitando un poco más lento, y giras en espiral hacia la estrella; pero si estás en forma de vapor, simplemente giras en espiral hacia afuera, junto con el gas en el disco en expansión. Así que ese lugar donde pasas de vapor a sólido es donde se acumula el material", dice Batygin.
La nueva teoría identifica esta banda como el lugar probable para una "fábrica de planetas" que, con el tiempo, puede producir varios planetas rocosos de tamaño similar. Además, a medida que los planetas crecen lo suficientemente masivos, sus interacciones con el disco tenderán a atraer estos mundos hacia el interior, más cerca de la estrella.
La teoría de Batygin y Morbidelli está respaldada por extensos modelos informáticos, pero comenzó con una simple pregunta. "Observamos el modelo existente de formación de planetas, sabiendo que no reproduce lo que vemos, y preguntamos: '¿Qué afirmación damos por sentada?'", dice Batygin. "El truco es mirar algo que todos toman como verdad pero sin una buena razón".
En este caso, la suposición era que el material sólido está disperso a lo largo de los discos protoplanetarios. Al descartar esa suposición y, en cambio, suponer que los primeros cuerpos sólidos se forman en anillos, la nueva teoría puede explicar diferentes tipos de sistemas planetarios con un marco unificado, dice Batygin.
Si el anillo rocoso contiene mucha masa, los planetas crecen hasta que se alejan del anillo, dando como resultado un sistema de supertierras similares. Si el anillo contiene poca masa, produce un sistema que se parece mucho más a los planetas terrestres de nuestro Sistema Solar.
"Soy un observador y un constructor de instrumentos, pero presto mucha atención a la literatura", dice Howard. "Recibimos un regateo regular de contribuciones pequeñas pero aún importantes. Pero cada cinco años más o menos, alguien sale con algo que crea un cambio sísmico en el campo. Este es uno de esos artículos".
Fuente:
https://phys.org/news/2023-01-scientists-unveil-theory-rocky-planet.html