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¿En cuántos pasos podemos formar y engordar un planeta gigante?: Sobre la formación de Júpiter

¿Cada cuánto y bajo qué criterio usamos la máquina lavadora? Supongamos que acabamos de comprar una canasta en donde ubicaremos todo lo que queremos lavar. Podemos empezar a llenarla quizá con objetos pequeños; por ejemplo, con medias, pañuelos o ropa interior, o con elementos más grandes; como pantalones, camisas, camisetas, sacos, toallas, u objetos mucho más grandes; como sábanas, cobijas o cobertores. En principio no hay un orden específico para llenarla y la experiencia nos dicta que con objetos muy pequeños difícilmente llenaremos la canasta, y que además esos objetos pequeños se nos pueden agotar, o que sólo un elemento podría llenarla muy rápido. Sin importar los detalles, en algún momento nuestra canasta alcanzará un cierto límite (una masa crítica), que puede ser físico, dictado por nuestra paciencia o la pura necesidad de ropa limpia, que nos hará usar la máquina lavadora. Bajo este contexto en nuestra mente, empecemos a estudiar la formación de un planeta gigante: Júpiter, bajo los resultados recientes del trabajo de Alibert et al.

Júpiter es el segundo objeto más masivo del sistema solar, cuya masa es 2.5 veces mayor a la del resto de los planetas juntos, en particular 318 veces más masivo y 1317 veces más voluminoso que la Tierra. Este planeta gigante está a una distancia promedio de 5.2 unidades astronómicas (unos 750 millones de kilómetros) del Sol y por lo tanto es, sin lugar a dudas, un actor principal en la formación, evolución y dinámica del sistema solar. No en vano recibe su nombre del dios romano Júpiter (Zeus en la mitología griega, quien era el padre de los dioses y los hombres) y entender su formación y dinámica es un tema fundamental en la Astrofísica moderna. ¿Cómo se formó Júpiter?

El marco actual de formación de planetas gigantes está basado principalmente en dos mecanismos. Primero acreción de sólidos y luego acreción rápida de gas, una vez que el planeta alcanza una masa crítica. La secuencia y detalles de estos dos mecanismos no se conocen completamente y en particular, los tamaños de los sólidos (nuestros objetos para la canasta de ropa que juega el papel de Júpiter) son un área activa de investigación. En el trabajo de Alibert et al. se plantea un mecanismo híbrido en el cual primero piedritas (pebbles) son acretadas, cuyos tamaños están en el orden de algunos centímetros, luego planetesimales cuyos tamaños están en el orden de cientos de kilómetros y por último ocurre la acreción de gas, ver Figura 1. En este sentido nuestra canasta lista para ir a la lavandería (¡a acretar agua y jabón!) será un Júpiter joven que primero recibió prendas pequeñas y luego prendas más grandes, en ese orden estricto.

Figura 1. Las tres etapas del modelo híbrido de la formación piedritas-planetesimal. Modificada y traducida de la figura 3 del artículo original.

El modelo híbrido propuesto por los autores consiste en tres etapas distintivas. Primera etapa (hasta a 1 millón de años (Ma)): Júpiter crece por acumulación de piedritas (círculos pequeños azules) y la acumulación de planetesimales es insignificante. Los planetesimales primordiales grandes (círculos grandes rojos) son excitados gravitacionalmente por el planeta en crecimiento y sufren colisiones a altas velocidades (flechas grandes), lo que lleva a colisiones destructivas (zonas amarillas) que producen planetesimales pequeños de segunda generación (círculos medios). Segunda etapa (1–3 Ma): Júpiter es lo suficientemente masivo para evitar la acumulación de piedritas y la energía asociada con la acumulación de pequeños planetesimales es lo suficientemente grande como para evitar la acumulación rápida de gases (flechas grises). Tercera etapa (después de 3 Ma): Júpiter es lo suficientemente masivo para acumular grandes cantidades de gas (principalmente hidrógeno y helio) y alcanzará bajo ese mecanismo, eventualmente, su masa actual.

Los autores basan sus resultados a partir de mediciones de alta precisión de isótopos en meteoritos, los cuales manifiestan la existencia de estas dos reservas de sólidos cuando el sistema solar era joven. Las poblaciones de piedritas y planetesimales estuvieron separadas entre 1 Ma y 3 Ma (contados desde la formación del sistema solar) como resultado del crecimiento de Júpiter que actuó como una barrera para el transporte del material.

Durante la tercera etapa, cuando el planeta se ha vuelto lo suficientemente masivo, gradualmente empieza a crear una brecha alrededor de su órbita. En este espacio se forma una presión donde los sólidos que están ligeramente acoplados al gas, típicamente en el rango de tamaño de la piedra, pueden quedar atrapados. La masa mínima del planeta para construir tal brecha, conocida como la masa de aislamiento de piedritas, es importante por dos razones: marca el final del crecimiento planetario por acumulación de piedritas, y el polvo atrapado forma un anillo que puede observarse.

Para modelar el crecimiento planetario, los autores consideraron dos escenarios para el resultado del material acretado por Júpiter. El primer caso –de no enriquecimiento- todos los elementos pesados son depositados directamente en el núcleo. En el segundo caso – de enriquecimiento- los sólidos que son volátiles se quedarán en la corteza, mientras que el resto irá al núcleo. El modelo de disco utilizado se encargó de proporcionar las condiciones de frontera para la estructura interna, además de proporcionar la temperatura y presión de la vecindad donde Júpiter se formó.

Los resultados de los autores proporcionan un nuevo paradigma para la formación de planetas gigantes a través de simulaciones del crecimiento planetario y acreción de sólidos, que es consistente con las restricciones dadas por meteoritos. Volviendo a la analogía con nuestra canasta, que ahora se ve absolutamente imprecisa y debemos alinearla si queremos llenarla como se formó Júpiter bajo este modelo de evolución. Primero ubicaremos objetos pequeños, que irán justo al centro, mientras las prendas más grandes que se fragmentan en medianas (por alguna extraña razón ¯\_(ツ)_/¯) luego irán a parar a la canasta, y por último acretaremos mucha agua y jabón!

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