Agencias/Ciudad de México.- Astrónomos han modelado una fase clave en la formación de planetas en nuestro sistema solar: cómo ‘guijarros’ de centímetros convergen hasta formar planetesimales de diez a cien kilómetros de tamaño.
La simulación reproduce la distribución de tamaño original de los planetesimales, que puede ser examinada basándose en las observaciones de los asteroides modernos. También predice la presencia de planetesimales dobles cercanos en nuestro sistema solar, que deberían haberse formado muy pronto.
En el nuevo estudio publicado en la revista Astrophysical Journal, los astrofísicos Brooke Polak, de la Universidad de Heidelberg, y Hubert Klahr, del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), utilizaron simulaciones para deducir propiedades clave de los llamados planetesimales, los cuerpos de tamaño intermedio a partir de los cuales se formaron planetas en nuestro sistema solar hace unos 4,500 millones de años.
Utilizando un método innovador para simular la formación de planetesimales, los dos investigadores pudieron predecir la distribución inicial del tamaño de los planetesimales en nuestro sistema solar: cuántos es probable que se formaran en los diferentes “intervalos de tamaño” entre aproximadamente 10 km y 200 km, informa el MPIA en un comunicado.
Varios grupos de objetos del sistema solar actual, en concreto los asteroides del cinturón principal y los objetos del cinturón de Kuiper, son descendientes directos de planetesimales que no llegaron a formar planetas. Utilizando las reconstrucciones existentes de la distribución inicial del tamaño de los asteroides del cinturón principal, Polak y Klahr pudieron confirmar que su predicción se ajustaba a las observaciones. Además, su modelo predice con éxito las diferencias entre los planetesimales que se forman más cerca del Sol y los que se forman más lejos, así como cuántos se forman como planetesimales binarios.
La formación de planetas alrededor de una estrella se desarrolla en varias etapas. En la fase inicial, las partículas de polvo cósmico del disco protoplanetario que se arremolina alrededor de una nueva estrella se agrupan, unidas por fuerzas electrostáticas (van der Waals), para formar los llamados guijarros de unos pocos centímetros de tamaño. En la siguiente fase, los guijarros se unen para formar planetesimales: rocas espaciales de entre decenas y cientos de kilómetros de diámetro.
En el caso de estos objetos más grandes, la gravedad es tan fuerte que las colisiones entre planetesimales individuales forman objetos cósmicos sólidos aún más grandes, ligados gravitatoriamente: embriones planetarios. Estos embriones pueden seguir acumulando planetesimales y guijarros hasta convertirse en planetas terrestres como la Tierra. Algunos pueden llegar a acumular gruesas capas de hidrógeno gaseoso para convertirse en gigantes gaseosos, como Júpiter, o gigantes de hielo, como Urano.
Las simulaciones realizadas por Polak y Klahr van en una dirección diferente, tomando prestados conceptos de un modelo físico aparentemente no relacionado: la descripción cinética de un gas, en el que miríadas de moléculas vuelan a gran velocidad y sus colisiones con los lados de un recipiente ejercen una presión acumulativa sobre las paredes del recipiente. Cuando la temperatura del gas es lo suficientemente baja y la presión lo suficientemente alta, el gas experimenta una transición de fase y se convierte en líquido. En determinadas condiciones, la transición de fase puede llevar a una sustancia directamente del estado gaseoso al sólido.
Neues @mpi_astro-Forschungsergebnis: Brooke Polak (@zah_hd und @amnh) und unser Hubert Klahr haben eine Schlüsselphase bei der Entstehung von Planeten in unserem Sonnensystem modelliert: die Art und Weise, wie sich zentimetergroße "Pebbles" 1/ https://t.co/v2B5meE9MV
— MPI für Astronomie (@mpi_astro) February 1, 2023
La simulación de Polak y Klahr trataba los pequeños grupos de guijarros de una nube en colapso en un disco protoplanetario de forma análoga a las partículas de este tipo de gas. En lugar de modelizar explícitamente las colisiones entre los distintos grupos de guijarros, asignaron una presión a su “gas de guijarros”. Para la llamada ecuación de estado, que da la presión en función de la densidad, eligieron una ecuación de estado adiabática, el tipo de ecuación que, en una situación de simetría esférica, tiene una estructura de densidad similar a la de la Tierra.
Con esta elección, el gas de los guijarros también puede sufrir un cambio de fase: A baja densidad, existe una “fase gaseosa” en la que los guijarros separados vuelan y chocan con frecuencia. Si se aumenta la densidad, se puede pasar a una “fase sólida”, en la que los guijarros forman planetesimales sólidos. El criterio clave para saber cuándo el gas de los guijarros se convierte en sólido es si la atracción gravitatoria de los guijarros es mayor o no que la presión sostenida por las colisiones.
Trabajos anteriores del grupo de Hubert Klahr habían demostrado que la formación de planetesimales comienza siempre con una nube compacta de guijarros dentro del disco protoplanetario que colapsa sobre sí misma, y también habían proporcionado valores concretos para los tamaños de tales regiones colapsantes separadas. En este nuevo trabajo, Polak y Klahr estudian varias versiones de dicha región de colapso, cada una a una distancia diferente del Sol, empezando por una distancia tan cercana como la órbita de Mercurio y terminando con una región de colapso tan lejana como Neptuno.
Como sus ecuaciones simplificadas son mucho menos complejas que las de los modelos de colisión de superpartículas, los investigadores pudieron utilizar la potencia de cálculo de que disponían para simular detalles más precisos que nunca, hasta las escalas en las que los planetesimales binarios pueden formarse como binarios de contacto. Las simulaciones anteriores, que carecían de la capacidad de rastrear detalles tan precisos, se limitaban a suponer que dos planetesimales que se acercasen tanto como es necesario para formar una binaria cercana se habrían transformado en un único objeto sin estructura y, por tanto, pasarían por alto esas binarias cercanas.
Sus resultados dibujan un interesante panorama de la formación de planetesimales en su conjunto. La distancia al Sol es clave: una región en colapso muy cercana al Sol producirá un único planetesimal. A distancias mayores, cada región en colapso formará cada vez más planetesimales al mismo tiempo. Además, los planetesimales más grandes se forman cerca del Sol. Los planetesimales más grandes producidos por una nube de guijarros en colapso a la distancia de la Tierra al Sol son alrededor de un 30% más masivos y un 10% más grandes que los producidos diez veces más lejos. En general, la producción de planetesimales resulta ser muy eficiente, ya que más del 90% de los guijarros disponibles acaban en los planetesimales resultantes, independientemente de su ubicación en el sistema solar.
La predicción de la simulación sobre la distribución del tamaño de los planetesimales es acertada. Por supuesto, incluso en el caso de los asteroides del cinturón principal, la vida continuó durante los últimos mil millones de años, con numerosas colisiones que fragmentaron los planetesimales más grandes en fragmentos más pequeños. Pero los análisis que intentan reconstruir la distribución inicial del tamaño a partir de lo que se ve hoy en día llegan a resultados muy similares a los de las nuevas simulaciones.
High Resolution Study of Planetesimal Formation by Gravitational Collapse of Pebble Clouds [EPA] https://t.co/y3QVnl51Ya pic.twitter.com/1FgE2UC9i9
— arXiver (@arXiver) November 28, 2022
