Secretos de la Formación Rápida de Planetas: Puzzles Protoplanetarios Resueltos a Velocidad Hiper.

Ilustración de un modelo que muestra cómo los gigantes gaseosos como Júpiter, Saturno o Urano también podrían formarse rápidamente en el sistema solar a partir del polvo de un disco protoplanetario y luego impulsar el polvo hacia áreas fuera de su órbita. Crédito: © Thomas Zankl / crushedeyesmedia / LMU

Los investigadores han desarrollado un nuevo modelo para la formación de planetas que muestra cómo las perturbaciones en los discos protoplanetarios pueden formar rápidamente gigantes gaseosos. Este proceso es más eficiente de lo que se pensaba anteriormente y se alinea con las observaciones recientes de gigantes gaseosos distantes.

Nuestro vecindario cósmico inmediato es nuestro sistema solar. Lo conocemos bien: el Sol en el centro; luego los planetas rocosos Mercurio, Venus, la Tierra y Marte; y luego el cinturón de asteroides; seguido por los gigantes gaseosos Júpiter y Saturno; luego los gigantes de hielo Urano y Neptuno; y finalmente el cinturón de Kuiper con sus cometas.

Pero, ¿qué tan bien conocemos realmente nuestro hogar? Las teorías anteriores suponían que los planetas gigantes se formaban por colisiones y acumulaciones de cuerpos celestes similares a asteroides, los llamados planetesimales, y la posterior acumulación de gas a lo largo de millones de años. Sin embargo, estos modelos no explican ni la existencia de gigantes gaseosos ubicados lejos de sus estrellas ni la formación de Urano y Neptuno.

Astrofísicos de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich (LMU), el grupo ORIGINS y el Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar (MPS) han desarrollado el primer modelo que incorpora todos los procesos físicos necesarios que juegan un papel en la formación de planetas. Con este modelo, han demostrado que las perturbaciones anulares en los discos protoplanetarios, las llamadas subestructuras, pueden desencadenar la rápida formación de múltiples gigantes gaseosos. Los resultados del estudio coinciden con las últimas observaciones e indican que la formación de planetas gigantes podría ocurrir de manera más eficiente y rápida de lo que se creía anteriormente.

"Cuando un planeta se vuelve lo suficientemente grande como para influir en el disco de gas, esto conduce a un renovado enriquecimiento de polvo más allá del disco. “En este proceso, el planeta empuja el polvo, como un perro pastor que persigue a su rebaño, hacia el área fuera de su propia órbita”, explica el profesor Til Birnstiel

Con su modelo, los investigadores demuestran cómo las partículas de polvo de tamaño milimétrico se acumulan aerodinámicamente en el disco de gas turbulento y cómo esta perturbación inicial en el disco atrapa el polvo y evita que desaparezca en dirección a la estrella. Esta acumulación hace que el crecimiento de los planetas sea muy eficiente, ya que de repente hay una gran cantidad de “material de construcción” disponible dentro de un área compacta y se dan las condiciones adecuadas para la formación de planetas.

“Cuando un planeta se vuelve lo suficientemente grande como para influir en el disco de gas, esto conduce a un renovado enriquecimiento de polvo más allá del disco”, explica Til Birnstiel, profesor de Astrofísica Teórica en LMU y miembro del Clúster de Excelencia ORIGINS. “En este proceso, el planeta empuja el polvo, como un perro pastor que persigue a su rebaño, hacia el área fuera de su propia órbita”. El proceso comienza de nuevo, desde adentro hacia afuera, y puede formarse otro planeta gigante. “Es la primera vez que una simulación ha seguido el proceso por el cual el polvo fino se convierte en planetas gigantes”, observa Tommy Chi Ho Lau, autor principal del estudio y doctorando en LMU.

En nuestro sistema solar, los gigantes gaseosos se encuentran a una distancia de alrededor de 5 unidades astronómicas (UA) (Júpiter) a 30 UA (Neptuno) del Sol. A modo de comparación, la Tierra está a unos 150 millones de kilómetros del Sol, lo que equivale a 1 UA.

El estudio muestra que en otros sistemas planetarios, una perturbación podría poner en marcha el proceso a distancias mucho mayores y, aun así, ocurrir muy rápidamente. Este tipo de sistemas han sido observados con frecuencia en los últimos años por el radioobservatorio ALMA, que ha encontrado gigantes gaseosos en discos jóvenes a una distancia superior a las 200 UA. Sin embargo, el modelo también explica por qué nuestro sistema solar aparentemente dejó de formar más planetas después de Neptuno: el material de construcción simplemente se agotó.

Los resultados del estudio coinciden con las observaciones actuales de sistemas planetarios jóvenes que tienen subestructuras pronunciadas en sus discos. Estas subestructuras desempeñan un papel decisivo en la formación de planetas. El estudio indica que la formación de planetas gigantes y gigantes gaseosos se produce con mayor eficiencia y velocidad de lo que se suponía anteriormente. Estos nuevos conocimientos podrían mejorar nuestra comprensión del origen y desarrollo de los planetas gigantes de nuestro sistema solar y explicar la diversidad de sistemas planetarios observados.