La inestabilidad al comienzo del Sistema Solar.

Un científico espartano ha ayudado a desarrollar una nueva explicación de por qué nuestro Sistema Solar es como es, y por qué otros también lo son.

Seth Jacobson de la Universidad Estatal de Michigan y sus colegas en China y Francia han revelado una nueva teoría que podría ayudar a resolver un misterio galáctico de cómo evolucionó nuestro Sistema Solar. Específicamente, ¿cómo terminaron los gigantes gaseosos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) donde están, orbitando alrededor del Sol como lo hacen?

Agrandar imagen. Profesor asistente de MSU Seth Jacobson.

La investigación también tiene implicaciones sobre cómo se formaron los planetas terrestres como la Tierra y la posibilidad de que un quinto gigante gaseoso aceche a 50 mil millones de millas (80 mil millones de kilómetros) en la distancia.

“Nuestro Sistema Solar no siempre ha tenido el aspecto que tiene hoy. A lo largo de su historia, las órbitas de los planetas han cambiado radicalmente”, dijo Jacobson, Profesor Asistente en el Departamento de Ciencias Ambientales y de la Tierra de la Facultad de Ciencias Naturales«Pero podemos averiguar qué ha pasado».

La investigación, publicada en la revista Nature el 27 de Abril, ofrece una explicación de lo que les sucedió a los gigantes gaseosos en otros sistemas solares y en el nuestro.

Es un buen modelo

Las estrellas nacen de nubes masivas y arremolinadas de gas y polvo cósmico. Una vez que nuestro Sol se encendió, el Sistema Solar primitivo todavía estaba lleno de un disco primordial de gas que desempeñó un papel integral en la formación y evolución de los planetas, incluidos los gigantes gaseosos.

Agrandar imagen. Las estrellas, incluido nuestro Sol, nacen de una nube de polvo y gas. Esta nube también puede sembrar planetas que orbitarán la estrella. 
Crédito:
NASA/JPL-Caltech
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A fines del siglo XX, los científicos comenzaron a creer que los gigantes gaseosos inicialmente giraban alrededor del Sol en órbitas ordenadas, compactas y uniformemente espaciadas. Júpiter, Saturno y los demás, sin embargo, hace tiempo que se establecieron en órbitas que son relativamente oblongas, torcidas y extendidas.

Entonces, la pregunta para los investigadores ahora es, ¿por qué?

En 2005, un equipo internacional de científicos propuso una respuesta a esa pregunta en un trío de artículos históricos de Nature. La solución se desarrolló originalmente en Niza, Francia, y se conoce como el modelo de Niza. Postula que hubo una inestabilidad entre estos planetas, un conjunto caótico de interacciones gravitacionales que finalmente los colocó en sus caminos actuales.

“Este fue un cambio tectónico en la forma en que la gente pensaba sobre el Sstema Solar primitivo”, dijo Jacobson.

El modelo de Niza sigue siendo una explicación principal, pero en los últimos 17 años, los científicos han encontrado nuevas preguntas sobre qué desencadena la inestabilidad del modelo de Niza.

Agrandar imagen. Esta representación de un artista muestra un Sistema Solar primitivo hipotético con una estrella joven que se abre paso en el gas y el polvo que quedaron de su formación. Esta acción de limpieza afectaría las órbitas de los gigantes gaseosos que orbitan alrededor de la estrella. 
Crédito: NASA/JPL-Caltech/T. Pylé (SSC).

Por ejemplo, originalmente se pensó que la inestabilidad del gigante gaseoso tuvo lugar cientos de millones de años después de la dispersión de ese disco de gas primordial que dio origen al Sistema Solar. Pero la evidencia más reciente, incluidas algunas encontradas en rocas lunares recuperadas por las misiones Apolo, sugiere que sucedió más rápido. Eso también plantea nuevas preguntas sobre cómo evolucionó el Sistema Solar interior que alberga a la Tierra.

Trabajando con Beibei Liu de la Universidad de Zhejiang en China y Sean Raymond de la Universidad de Burdeos en Francia, Jacobson ayudó a encontrar una solución que tiene que ver con cómo comenzó la inestabilidad. El equipo ha propuesto un nuevo disparador.

“Creo que nuestra nueva idea realmente podría relajar muchas tensiones en el campo porque lo que hemos propuesto es una respuesta muy natural a cuándo ocurrió la inestabilidad del planeta gigante”, dijo Jacobson.

El nuevo gatillo

La idea comenzó con una conversación que Raymond y Jacobsen tuvieron en 2019. Ellos teorizaron que los gigantes gaseosos podrían haber seguido sus caminos actuales debido a cómo se evaporó el disco de gas primordial. Eso podría explicar cómo los planetas se extendieron mucho antes en la evolución del Sistema Solar de lo que postulaba originalmente el modelo de Niza y tal vez incluso sin la inestabilidad para empujarlos allí.

Agrandar imagen. Sean Raymond, astrónomo de la Universidad de Burdeos.

“Nos preguntábamos si el modelo de Niza era realmente necesario para explicar el sistema solar”, dijo Raymond. «Se nos ocurrió la idea de que los planetas gigantes posiblemente podrían expandirse por un efecto de ‘rebote’ a medida que el disco se disipaba, tal vez sin volverse inestable».

Luego, Raymond y Jacobsen se acercaron a Liu, quien fue pionero en esta idea del efecto rebote a través de extensas simulaciones de discos de gas y grandes exoplanetas (planetas en otros sistemas solares) que orbitan cerca de sus estrellas.

“La situación en nuestro Sistema Solar es ligeramente diferente porque Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno están distribuidos en órbitas más amplias”, dijo Liu. «Después de algunas iteraciones de sesiones de lluvia de ideas, nos dimos cuenta de que el problema podría resolverse si el disco de gas se disipara de adentro hacia afuera».

Agrandar imagen. Beibei Liu, profesora investigadora de la Universidad de Zhejiang.

El equipo descubrió que esta disipación de adentro hacia afuera proporcionó un desencadenante natural para la inestabilidad del modelo de Niza, dijo Raymond.

“Terminamos fortaleciendo el modelo de Niza en lugar de destruirlo”, dijo. “Esta fue una ilustración divertida de probar nuestras ideas preconcebidas y seguir los resultados donde sea que nos lleven”.

Con el nuevo disparador, la imagen al comienzo de la inestabilidad se ve igual. Todavía hay un Sol naciente rodeado por una nube de gas y polvo. Un puñado de gigantes gaseosos jóvenes giran alrededor de la estrella en órbitas ordenadas y compactas a través de esa nube.

“Todos los sistemas solares se forman en un disco de gas y polvo. Es un subproducto natural de cómo se forman las estrellas”, dijo Jacobson. “Pero a medida que el Sol se enciende y comienza a quemar su combustible nuclear, genera luz solar, calienta el disco y finalmente lo expulsa de adentro hacia afuera”.

Esto creó un agujero creciente en la nube de gas, centrado en el Sol. A medida que el agujero crecía, su borde atravesaba cada una de las órbitas de los gigantes gaseosos. Esta transición conduce a la inestabilidad del planeta gigante requerida con una probabilidad muy alta, según las simulaciones por computadora del equipo. El proceso de cambiar estos grandes planetas a sus órbitas actuales también avanza rápido en comparación con la línea de tiempo original del modelo de Niza de cientos de millones de años.

“La inestabilidad ocurre temprano cuando el disco gaseoso del Sol se disipó, limitado a ser dentro de unos pocos millones de años a 10 millones de años después del nacimiento del Sistema Solar”, dijo Liu.

Ver video. Esta animación muestra los resultados de una simulación que muestra cómo el sistema solar podría haber sido reorganizado por una nube de polvo y gas que se evapora. El borde interior de esa nube, que se muestra como una línea gris vertical, comienza cerca del sol (extremo izquierdo) y recorre las órbitas de Júpiter, Saturno, un hipotético quinto gigante gaseoso, Urano y Neptuno. 
Crédito: Cortesía de Liu et al.

El nuevo desencadenante también conduce a la mezcla de material del Sistema Solar exterior y del Sistema Solar interior. La geoquímica de la Tierra sugiere que tal mezcla debía ocurrir mientras nuestro planeta todavía estaba en medio de la formación.

“Este proceso realmente va a agitar el Sistema Solar interior y la Tierra puede crecer a partir de eso”, dijo Jacobson. «Eso es bastante consistente con las observaciones». Explorar la conexión entre la inestabilidad y la formación de la Tierra es un tema de trabajo futuro para el grupo.

Por último, la nueva explicación del equipo también se aplica a otros sistemas solares de nuestra galaxia, donde los científicos han observado gigantes gaseosos que orbitan alrededor de sus estrellas en configuraciones similares a las que vemos en la nuestra.

“Somos solo un ejemplo de un sistema solar en nuestra galaxia”, dijo Jacobson. “Lo que estamos mostrando es que la inestabilidad ocurrió de una manera diferente, más universal y más consistente”.

Planeta 9 del espacio exterior

Aunque el artículo del equipo no enfatiza esto, Jacobson dijo que el trabajo tiene implicaciones para uno de los debates más populares y ocasionalmente acalorados sobre nuestro Sistema Solar: ¿Cuántos planetas tiene?

Actualmente, la respuesta es ocho, pero resulta que el modelo de Niza funciona un poco mejor cuando el Sistema Solar primitivo tenía cinco gigantes gaseosos en lugar de cuatro. Lamentablemente, según el modelo, ese planeta adicional fue ‘arrojado a martillazos’ desde nuestro Sistema Solar durante la inestabilidad, lo que ayuda a los gigantes gaseosos restantes a encontrar sus órbitas.

Agrandar imagen. La concepción de un artista del Planeta 9. Crédito: ESO/Tom Ruen/nagualdesign.

En 2015, sin embargo, los investigadores de Caltech encontraron evidencia de que aún puede haber un planeta sin descubrir alrededor de las afueras del Sistema Solar a unos 50 mil millones de millas (80 mil millones de kilómetros) del Sol, aproximadamente 47 mil millones de millas (75 mil millones de kilómetros) más lejos que Neptuno.

Todavía no hay pruebas concretas de que este planeta hipotético, apodado Planeta X o Planeta 9, o el planeta «extra» del modelo de Niza exista realmente. Pero, si las hubiesen, ¿podrían ser uno y el mismo?

Jacobson y sus colegas no pudieron responder esa pregunta directamente con sus simulaciones, pero pudieron hacer lo siguiente mejor. Sabiendo que su disparador de inestabilidad reproduce correctamente la imagen actual de nuestro Sistema Solar, podrían probar si su modelo funciona mejor comenzando con cuatro o cinco gigantes gaseosos.

“Para nosotros, el resultado fue muy similar si comienzas con cuatro o cinco”, dijo Jacobson. “Si comienzas con cinco, es más probable que termines con cuatro. Pero si comienzas con cuatro, las órbitas terminan coincidiendo mejor”.

De cualquier manera, la humanidad debería tener una respuesta pronto. El Observatorio Vera Rubin, programado para estar operativo a fines de 2023, debería poder detectar el Planeta 9 si está ahí afuera.

“El Planeta 9 es muy controvertido, por lo que no lo enfatizamos en el artículo”, dijo Jacobson, “pero nos gusta hablar de eso con el público”.

Es un recordatorio de que nuestro Sistema Solar es un lugar dinámico, todavía lleno de misterios y descubrimientos que esperan ser realizados.

Fuente: MSU Today (Michigan State University Today – Universidad Estatal de Michigan Hoy).

Artículo original: The instability at the beginning of the Solar System‘. Matt Davenport. April 27, 2022.

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Formación de estrellas y planetas

La formación de estrellas es el mecanismo que controla la estructura y evolución de galaxias y la acumulación de elementos pesados en el Universo, además de ser responsable de la creación de los ambientes planetarios donde la vida es posible.

Sobre los Discos proto estelares donde se forman los planetas

ALMA observa Discos Protoplanetarios

Imágenes en alta resolución de ALMA de discos protoplanetarios cercanos, como resultado del proyecto DSHARP.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; N. Lira.

Los astrónomos ya han catalogado cerca de 4.000 exoplanetas que orbitan estrellas distantes. Y aunque hemos aprendido mucho sobre esos nuevos mundos, todavía queda mucho por entender sobre las etapas de formación de planetas. Y también de los procesos cósmicos específicos a partir de los cuales han surgido distintos cuerpos planetarios descubiertos a la fecha.

Con el fin de responder estas y otras preguntas sobre el nacimiento de los planetas, un equipo de astrónomos usó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array(ALMA). Realizaron uno de los mapeos más detallados hasta ahora de discos protoplanetarios, esos anillos de polvo que rodean jóvenes estrellas , donde se forman los planetas. El siguiente artículo lo presenta.

La galería de sistemas estelares polvorientos del Observatorio Gémini revela viveros de exoplanetas.

Esta figura muestra los anillos de polvo alrededor de estrellas jóvenes capturadas por el Sondeo de Exoplaneta Gemini Planet Imager, o GPIES. Los anillos muestran una diversidad de formas y tamaños, hechos más extremos por las diferentes proyecciones de los anillos en el cielo. 
Crédito imagen: UC Berkeley / Thomas Esposito
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Los astrónomos lanzaron este mes la colección más grande de imágenes nítidas y detalladas de discos de escombros alrededor de estrellas jóvenes, mostrando la gran variedad de formas y tamaños de sistemas estelares durante sus primeros años de formación de planetas. Sorprendentemente, casi todos mostraron evidencia de planetas.

Las imágenes fueron obtenidas durante un período de cuatro años por un instrumento de precisión, el Gemini Planet Imager (GPI), montado en el telescopio Gemini Sur de 8 metros en Chile. El GPI utiliza un sistema de óptica adaptativa de última generación para eliminar el desenfoque atmosférico, proporcionando las imágenes más nítidas hasta la fecha de muchos de estos discos. La publicación a continuación lo desarrolla.

¿Qué tan especial es el Sistema Solar?

Ahora podemos observar la formación de planetas alrededor de otras estrellas. 
Crédito: ESO
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Nuestro Sistema Solar sigue un patrón claro. Pequeños planetas rocosos cerca del Sol, grandes planetas gaseosos más lejos y un Cinturón de Astroides entre ellos. En un nivel amplio, eso parecería tener sentido. A medida que se formaba el Sol, la intensa energía de su viento solar recién descubierto tendería a empujar elementos más ligeros como el hidrógeno y el helio hacia el sistema solar exterior, dejando atrás solo material rocoso. Entonces es tentador imaginar que la mayoría de los sistemas solares seguirían un patrón similar de planetas rocosos cercanos y gigantes gaseosos más distantes. Pero a medida que hemos descubierto más sistemas exoplanetarios, encontramos que ese no es el caso. De hecho, cada vez parece más que nuestro Sistema Solar podría ser la excepción y no la norma.

La siguiente publicación lo examina.

¿Cómo era el Sistema Solar antes de que todos los planetas migraran?

Representación artística del Sistema Solar temprano. Crédito: NASA.

Hace tiempo que se estableció la migración planetaria temprana en el Sistema Solar, y se han propuesto innumerables teorías para explicar de dónde venían los planetas. Teorías como la hipótesis de Grand Tack y el modelo de Niza muestran cuán importante es la migración para el estado actual de nuestro Sistema Solar. Ahora, un equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ( LLNL ) ha ideado una forma novedosa de tratar de comprender los patrones de migración planetaria: observando las composiciones de meteoritos.

Sobre la Migración Planetaria

Nota: 

No puedo dejar de mencionar el papel del Lic. Julio Fernández en el desarrollo de la teoría de la Migración Planetaria: en un trabajo seminal publicado en la revista Icarus en 1984 expone las bases del intercambio de momento angular entre los cuerpos menores y los planetas gigantes, en particular con Neptuno, sentando las bases de una vez y para siempre para  el desarrollo del concepto de Migración Planetaria: los planetas  no estuvieron siempre donde los vemos hoy, ellos han cambiado de posición durante la evolución del Sistema Solar. En el momento que fue publicado, el pensamiento reinante en la comunidad científica era que los planetas siempre estuvieron allí, donde están hoy, y se tardó tiempo en aceptar esta nueva visión. Por este aporte y por otros de importancia no menor que también cambiaron nuestro entendimiento del Sistema Solar, fue reconocido por la Academia de Ciencias de los Estados Unidos de América, nombrándolo miembro de la misma. También fue homenajeado en el acto de cierre del ACM 2017 en Abril de 2017 por la comunidad global de científicos que estudian los Cuerpos Menores.

La observación e investigación de los Sistemas Planetarios Extrasolares, proporcionan una vía directa de estudiar  y “palpar”el proceso de formación y evolución planetaria (entre cuyos procesos está la Migración Planetaria) en los Discos Protoplanetarios. Gran parte de los trabajos de investigación actuales están enfocados hacia estos temas. El lector puede comprobarlo en las Colecciones de artículos, para el público, sobre Migración Planetaria publicados en las revistas: 

Colecciones de artículos y papers sobre Migración Planetaria, (de carácter profesional) publicados en: 

Libros:

PodCast:

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Sobre el Planeta Nueve

Representación artística del hipotético Planeta Nueve en las afueras de nuestro Sistema Solar. 
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Astrobites proporciona un viaje al Sistema Solar exterior para conocer los últimos modelos que describen la influencia del supuesto Planeta Nueve. Entérate en publicación siguiente, que contiene además una selección de recursos sobre el Planeta 9.

Curiosidades

¿Qué tan rápido se forman los planetas?

 La densa región L1709 de la Nube Molecular de Ophiuchus, mapeada por el Telescopio Espacial Herschel. La región rodea y alimenta material al disco de formación de planetas de la protoestrella IRS 63 mucho más pequeño (señalado por la cruz negra).
Crédito: MPE / D. Segura-Cox; Datos de Herschel de ESA / Herschel / SPIRE / PACS / D.  Arzoumanian.

Estoy sorprendido por los hallazgos en un nuevo artículo de Dominique Segura-Cox (Instituto Max Planck de Física Extraterrestre). Ella sostiene, con base en la evidencia de un sistema infantil, que podemos tener una formación planetaria completamente incorrecta, al menos en términos de cuándo ocurre. La suposición natural es que la estrella aparece primero, luego los planetas acumulan masa desde el interior del disco circunestelar. Pero Segura-Cox y su equipo han encontrado un sistema en el que el planeta y la estrella parecen formarse casi simultáneamente. IRS 63 es una protoestrella a unos 470 años luz de distancia que tiene menos de medio millón de años. Envuelta en gas y polvo, la estrella todavía está acumulando masa, pero la evidencia del disco sugiere que los planetas ya han comenzado a formarse.

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