La inestabilidad al inicio del sistema solar: ¿Augura un planeta por descubrir?


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?

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 en la distancia.

Todas 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

«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.

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 sistema 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.

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 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.

«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».

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

La 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)

«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, calentando el disco y eventualmente volándolo 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 unos pocos millones de años a 10 millones de años después del nacimiento del sistema solar», dijo Liu.

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 está 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 funcionó 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.

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 del sol, aproximadamente 47 mil millones de millas 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 lo hacen, ¿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 periódico», 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.

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