Brooke Polak, de la Universidad de Heidelberg, y Hubert Klahr, del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), han modelado una fase clave en la formación de planetas en nuestro sistema solar con simulaciones que profundizan en los detalles más finos que nunca: la forma en que el centímetro Los guijarros de tamaño mediano se agregan en los llamados planetesimales de decenas a cientos de kilómetros de tamaño. La simulación reproduce la distribución de tamaño inicial de los planetesimales, que puede compararse con las observaciones de los asteroides actuales. También predice la prevalencia de planetesimales binarios cercanos en nuestro sistema solar.
En un nuevo estudio publicado en arXiv y aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal, los astrofísicos Brooke Polak de la Universidad de Heidelberg y Hubert Klahr del Instituto Max Planck de Astronomía usaron simulaciones para derivar propiedades clave de los llamados planetesimales, los de tamaño intermedio. cuerpos a partir de los cuales se formaron los planetas en nuestro sistema solar hace aproximadamente 4.500 millones de años.
Usando un método innovador para simular la formación de planetesimales, los dos investigadores pudieron predecir la distribución de tamaño inicial de los planetesimales en nuestro sistema solar: cuántos probablemente se formaron en los diferentes “grupos de tamaño” entre aproximadamente 10 km y 200 km.
Varios grupos de objetos en el sistema solar actual, específicamente los asteroides del cinturón principal y los objetos del cinturón de Kuiper, son descendientes directos de planetesimales que no formaron planetas. Usando reconstrucciones existentes de la distribución de tamaño inicial de los asteroides del cinturón principal, Polak y Klahr pudieron confirmar que su predicción coincidía con las observaciones.
Además, su modelo hace predicciones exitosas sobre las diferencias entre los planetesimales formados más cerca del sol y los que se forman más lejos, así como la predicción de cuántos se forman como planetesimales binarios.
Formación de planetas de polvo a planetas.
La formación de planetas alrededor de una estrella procede en varias etapas. En la fase inicial, las partículas de polvo cósmico en el disco protoplanetario que gira 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.
Para estos objetos más grandes, la gravedad es tan fuerte que las colisiones entre planetesimales individuales forman objetos cósmicos sólidos aún más grandes, unidos gravitacionalmente: embriones planetarios. Estos embriones pueden continuar acumulando planetesimales y guijarros hasta que se conviertan en planetas terrestres como la Tierra. Algunos pueden acumular gruesas capas de gas hidrógeno en su mayoría para convertirse en los llamados gigantes gaseosos como Júpiter, o gigantes de hielo como Urano.
Cuando los planetesimales no se convierten en planetas
No todos los planetesimales se convierten en planetas. Una fase de la historia del sistema solar involucró al recién formado Júpiter, hoy el planeta más grande del sistema solar, migrando hacia adentro, hacia una órbita más cercana alrededor del sol. Esta migración interrumpió la formación de planetas en sus inmediaciones, y la gravedad de Júpiter impidió que los planetesimales cercanos se convirtieran en embriones planetarios. Urano y Neptuno también migraron, pero hacia órbitas más distantes, mientras interactuaban con los planetesimales más allá de ellos.
En el proceso, dispersaron algunos de los planetesimales helados más distantes hacia el interior del sistema solar y algunos hacia el exterior. En general, lejos del sol, las distancias típicas entre los planetesimales eran demasiado grandes para que se formaran incluso los planetas relativamente pequeños similares a la Tierra; los únicos embriones planetarios que se formaron fueron objetos aún más pequeños como Plutón. La mayoría de los planetesimales a esa distancia no llegaron a la etapa de embrión planetario.
Al final, nuestro sistema solar terminó con varias regiones que contenían planetesimales sobrantes o sus descendientes: el cinturón principal de asteroides entre Marte y Júpiter contiene tanto planetesimales que Júpiter evitó que formaran embriones como aquellos esparcidos hacia adentro por Urano y Neptuno.
La estructura en forma de disco del cinturón de Kuiper, entre 30 y 50 unidades astronómicas del sol, contiene planetesimales demasiado alejados para ser perturbados por las migraciones de Urano y Neptuno, aproximadamente 70.000 de ellos con tamaños superiores a los 100 km. Aquí es de donde provienen la mayoría de los cometas de período medio que visitan el sistema solar interior. Más allá, en la llamada nube de Oort, se encuentran objetos que fueron dispersados hacia el exterior por la migración de Urano-Neptuno.
Las limitaciones de las simulaciones de formación de planetas
Simular la progresión de guijarros de un centímetro a planetesimales es un desafío. Hasta hace aproximadamente una década, no estaba claro cómo podría ocurrir esa transición en primer lugar; en ese entonces, las simulaciones no permitían que los guijarros crecieran más allá de un tamaño de aproximadamente un metro. Ese problema en particular se ha resuelto desde entonces, al darse cuenta de que el movimiento turbulento en el disco protoplanetario reúne una cantidad suficiente de guijarros para formar objetos más grandes. Pero las escalas dispares involucradas todavía hacen que las simulaciones de formación de planetas sean muy difíciles.
Las simulaciones continuas modelan el disco protoplanetario dividiendo el espacio en una cuadrícula de regiones separadas, el análogo tridimensional de dividir un plano en un patrón de tablero de ajedrez. Luego, se usan las ecuaciones de la hidrodinámica para calcular cómo fluye la materia desde cada celda de la cuadrícula a las celdas vecinas y cómo cambian las propiedades de la materia durante ese proceso. Pero para obtener resultados significativos, es necesario simular una sección del disco protoplanetario de cientos de miles de kilómetros de diámetro. Simplemente no hay suficiente poder de cómputo para hacer que el “patrón de tablero de ajedrez” sea lo suficientemente pequeño para simular la estructura a escala de kilómetros de planetesimales individuales al mismo tiempo.
Una alternativa son las simulaciones que modelan grupos de guijarros como “súper partículas” separadas y luego las fusionan en objetos de un solo punto una vez que se acercan entre sí más cerca de un límite de aproximadamente 1000 km. Pero este método no logra capturar otro aspecto importante de la formación de planetesimales: planetesimales binarios cercanos, donde dos planetesimales orbitan entre sí de cerca o incluso se juntan como “binarios de contacto”.
Simulando un ‘gas de guijarros’
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, donde miríadas de moléculas vuelan a altas velocidades, sus colisiones con los lados de un recipiente ejercen presión de forma acumulativa. en las paredes del contenedor.
Cuando la temperatura del gas es lo suficientemente baja y la presión lo suficientemente alta, el gas experimenta la llamada transición de fase y se vuelve líquido. Bajo ciertas condiciones, la transición de fase puede llevar una sustancia directamente del estado gaseoso al estado sólido.
La simulación de Polak y Klahr trató pequeños grupos de guijarros en una nube que colapsa en un disco protoplanetario de forma análoga a las partículas de este tipo de gas. En lugar de modelar explícitamente las colisiones entre los diversos 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 llamada ecuación de estado adiabática, el tipo de ecuación que, en una situación esféricamente simétrica, tiene una estructura de densidad similar a la de la Tierra.
Con esta elección, el gas de guijarros también puede sufrir un cambio de fase: a baja densidad, hay una “fase gaseosa” en la que los guijarros separados vuelan y chocan con frecuencia. Aumente la densidad y podrá hacer la transición a una “fase sólida”, donde los guijarros han formado planetesimales sólidos. El criterio clave para saber cuándo el gas de los guijarros se vuelve sólido es si la atracción gravitacional de los guijarros es mayor o no que la presión sostenida por las colisiones.
Las propiedades planetesimales dependen de la distancia al sol.
El trabajo anterior en el grupo de Hubert Klahr había demostrado que la formación de planetesimales siempre comienza con una nube compacta de guijarros dentro del disco protoplanetario que colapsa sobre sí mismo, y también arrojó valores concretos para los tamaños de tales regiones colapsadas separadas. En este nuevo trabajo, Polak y Klahr observan varias versiones de dicha región colapsada, cada una a una distancia diferente del sol, comenzando con una distancia tan cercana como la órbita de Mercurio y terminando con una región colapsada tan lejana como Neptuno.
Como sus ecuaciones simplificadas son mucho menos complejas que las de los modelos de colisión de superpartículas, los investigadores pudieron usar su poder de cómputo disponible para simular detalles más finos que nunca, hasta las escalas en las que los planetesimales binarios pueden formarse como binarios de contacto.
Las simulaciones anteriores, que carecen de la capacidad de rastrear detalles tan finos, simplemente supondrían que dos planetesimales que se acercaran tanto como sea necesario para formar un binario cercano se habrían transformado en un solo objeto sin estructura y, por lo tanto, perderían esos binarios cercanos por completo.
Predicción de la distribución del tamaño de los planetesimales
Sus resultados pintan una imagen interesante de la formación planetesimal en su conjunto. La distancia al sol es clave: una región colapsada muy cerca del sol producirá solo un planetesimal. A mayores distancias, cada región colapsada formará más y más planetesimales al mismo tiempo. Además, los planetesimales más grandes se forman más cerca del sol.
Los planetesimales más grandes producidos por el colapso de una nube de guijarros a la distancia de la Tierra del 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, con más del 90% de los guijarros disponibles que terminan en los planetesimales resultantes, independientemente de su ubicación en el sistema solar.
La predicción de la simulación para la distribución del tamaño de los planetesimales es acertada. Por supuesto, incluso para los asteroides del cinturón principal, la vida continuó durante los últimos mil millones de años, con numerosas colisiones que rompieron planetesimales más grandes en fragmentos más pequeños. Pero los análisis que tienen como objetivo reconstruir la distribución de tamaño inicial a partir de lo que se ve hoy en día llegan a resultados muy similares a los de las nuevas simulaciones.
Y hubo una sorpresa: “Anteriormente se pensaba que la distribución de tamaño inicial entre los asteroides reflejaba la distribución de masa de las nubes de guijarros”, dice Brooke Polak, “así que nos sorprendió mucho que nuestras simulaciones, siempre usando la misma masa inicial para las nubes de guijarros, crearon la misma distribución de masa de asteroides durante el colapso gravitacional que se encuentra en las observaciones. Esto cambia drásticamente las restricciones sobre los procesos que crean las nubes de guijarros en la nebulosa solar”.
En otras palabras: las simulaciones de las primeras etapas de nuestro sistema solar no tendrán que preocuparse por obtener los tamaños de las nubes de guijarros: la formación planetesimal se encargará de la distribución adecuada del tamaño por sí sola.
binarios y lunas
El ojo para los detalles que la simulación de Polak y Klahr ha incorporado también ha arrojado resultados sin precedentes sobre planetesimales binarios, con pares de planetesimales orbitando entre sí. La mitad de los binarios están muy cerca unos de otros, su distancia mutua es menos de cuatro veces el diámetro de los propios planetesimales.
Las predicciones sobre la prevalencia y las propiedades de las binarias, incluidas las binarias con pequeñas “lunas” adicionales que las orbitan, coinciden perfectamente con las propiedades observadas de los objetos del cinturón de Kuiper en los confines del sistema solar, así como con las de los asteroides del cinturón principal.
Una de las predicciones es que los binarios cercanos se forman en grandes cantidades desde el principio, a medida que los guijarros se fusionan en planetesimales, en lugar de formarse a través de casi colisiones posteriores y otras interacciones. La misión espacial de la NASA Lucy, que se lanzó en 2021, promete una oportunidad particularmente interesante de probar esta predicción.
“No todos los planetesimales terminan en el asteroide o el cinturón de Kuiper. Algunos quedan atrapados en una órbita conjunta con Júpiter, los llamados troyanos”. dice Hubert Klahr. “La misión Lucy visitará varios de ellos en los próximos años. En marzo de 2033, pasará por los asteroides Patroclo y Menoetius. Cada uno tiene 100 km de tamaño y los dos orbitan entre sí a una distancia de solo 680 km. Nuestro La predicción es que estos dos tendrán el mismo color y apariencia exterior, ya que esperamos que se hayan formado a partir de una misma nube de guijarros. Gemelos idénticos desde su nacimiento”.
Direcciones futuras para la investigación
La versión actual de las simulaciones de Polak y Klahr solo examina la formación de planetesimales hasta aproximadamente la órbita actual de Neptuno. A continuación, los dos investigadores planean explorar la historia temprana de nuestro sistema solar a distancias aún mayores. Si bien las simulaciones actuales ya arrojan objetos como el binario de contacto Arrokoth, que fue visitado por la sonda New Horizons de la NASA en 2019 después de su visita al sistema Plutón-Caronte, sería interesante ver cómo se podrían formar objetos como este a la distancia orbital real de Arrokoth. —45 veces más lejos del sol que la Tierra (frente a las 30 veces de Neptuno).
Otra limitación de la presente simulación es que los planetesimales solo pueden formarse como esferas perfectas de diferentes tamaños. Una ecuación de estado más sofisticada que incorpore la capacidad de los cuerpos sólidos para mantener su forma permitiría una descripción de objetos con las propiedades materiales de una mezcla de hielo poroso y polvo. Sobre esta base, los cálculos podrían extenderse a planetesimales de formas variadas, permitiendo aún más detalles entre nuestra comprensión de la formación del sistema solar y las observaciones.
Con información de Astrophysical Journal
