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¡Mayday, mayday, se quieren llevar mis planetesimales!

Crédito de la imagen destacada: JLP/NASA.

Viajar es una actividad que se ha vuelto cada vez más frecuente para la humanidad: viajamos regularmente entre ciudades, países, continentes… ¡incluso a la Estación Espacial Internacional! Pero, ¿podemos ir más allá? No, no hablo de llegar a la Luna, Marte o los asteroides, sino de mucho más allá: ¿Qué tal un viajecito a otro sistema planetario?

Oumuamua y Borisov son los nombres de los primeros objetos observados en el Sistema Solar que proceden de otro sitio, y su descubrimiento plantea emocionantes preguntas: ¿Cómo son? ¿De dónde vienen? ¿Cómo se forman? Mientras esperamos a que pasen otros visitantes para recabar más información, podemos “entretenernos” estudiándolos desde un punto de vista teórico, como en el artículo del que hablaremos hoy.

Objetos interestelares: viajeros desterrados de sus hogares

Los “objetos interestelares” o ISOs son objetos del espacio exterior que no son estrellas ni están ligados gravitacionalmente a ninguna. Es decir, se trata de cuerpos que viajan libremente por el cosmos, pudiendo cruzarse de vez en cuando con alguna estrella, como les ha ocurrido a ‘Oumuamua y Borisov. Es posible que estos objetos sean restos de planetesimales (planetas a medio formar) expulsados de sus sistemas originarios por diversos motivos: como consecuencia de la evolución natural de la estrella progenitora o debido a la acción de alguna fuerza externa, como el cruce con otra estrella (figura 1).

Curva con tres picos en función de la edad del sistema planetario. Sobre cada pico hay una imagen que ejemplifica la causa. El primero es el más alto y está en 5 millones de años, el segundo en 10-100 millones de años y el tercero, más separado, en 10 giga-años.
Figura 1: Representación esquemática de la producción de objetos interestelares a lo largo de la vida de una estrella de tipo solar. Los sobrevuelos estelares “externos” corresponden al primer pico, mientras que los otros dos son debidos a fenómenos “internos” del sistema. Crédito: Figura 1 del artículo original (Pfalzner et al 2021).

Guarderías espaciales y encuentros estelares

El caso de estudio del artículo de hoy es el siguiente: una estrella joven con su disco protoplanetario alrededor sufre el paso cercano de otra estrella, lo que llamamos “sobrevuelo”. Esto no es extraño dado que las estrellas se forman en grupo de una misma nube primigenia, de manera que durante los primeros millones de años de estas guarderías estelares es relativamente frecuente que algunas se crucen.

Las consecuencias de un encuentro así dependen principalmente de dos factores: la distancia a la que se acerquen las estrellas y la relación entre sus masas. Si la estrella perturbadora (la que se aproxima) es pequeña, no habrá graves consecuencias. Pero si su masa es similar o mayor a la progenitora, podría hacer que algunos planetesimales se desligaran de su estrella madre, quedando libres de su influencia o siendo “adoptados” por la perturbadora (que se los lleva “puestos”). En la Figura 2 pueden ver una simulación de un cruce de este tipo.

Figura 2: Simulación del efecto de un sobrevuelo estelar sobre un disco de partículas. Se aprecia cómo algunas de las partículas quedan ligadas a su estrella progenitora, mientras que otras son “adoptadas” por la estrella perturbadora y un tercer grupo se desliga del sistema. Crédito: https://www3.mpifr-bonn.mpg.de/staff/spfalzner/movies/encounter.webm

Estudios cualitativos sobre estos encuentros concluyeron que los cruces prógrados y coplanares (en el mismo sentido de giro y plano que el disco) son los más dañinos, aumentando el número de planetesimales desligados o “adoptados” cuanto más masiva y más se acerque la estrella perturbadora. El artículo que nos ocupa pone por primera vez números concretos a estas relaciones. ¡Qué emocionante!

Simulando encuentros estelares

El equipo firmante elabora simulaciones de un sistema formado por una estrella de masa igual a la del Sol y un disco fino de partículas a su alrededor. Este disco se extiende desde 1 Unidad Astronómica (o UA, la distancia Tierra-Sol) hasta 100 UAs, así que tiene forma de donut aplastado. A continuación, lanzan una estrella “perturbadora” en trayectoria parabólica sobre este sistema y observan cómo responden las partículas del disco: ¿Ni se inmutan? ¿Se van con la perturbadora? ¿O permanecen libres? Se ejecutan numerosas simulaciones cambiando los parámetros del encuentro: la masa de la estrella perturbadora (entre 0.3 y 50 veces la masa del Sol), su inclinación (desde 0 grados si es coplanar, a 90 grados si es perpendicular) y la distancia.

Los mejores casos para producir ISOs

Las simulaciones muestran, como era de esperar, que el número de ISOs depende de las características del sobrevuelo: cuanta más masa tenga la perturbadora y más cerca pase, más planetesimales son expulsados. Más concretamente, si la perturbadora tiene el doble de masa de la progenitora la mayoría de partículas liberadas son “adoptadas”, mientras que si es muy masiva (más de 5 veces su masa) la mayoría de partículas se desligan y permanecen libres (figura 3). En cualquier caso, la producción de ISOs siempre es mayor para sobrevuelos coplanares y prógrados, mientras que a partir de 70 grados de inclinación la producción disminuye considerablemente.

 Tres curvas indican la fracción de partículas en función del cociente de masas. La curva azul tiene su máximo en el menor cociente y desciende hasta 0.1 para el mayor. La de verde asciende desde cero hasta uno suavemente. Y la naranja empieza en 0.1, alcanza un máximo de 0.3 para un cociente de dos, y desciende hasta cero.
Figura 3: Porcentaje de partículas del disco que permanecen ligadas a la estrella progenitora (línea azul), que son “adoptadas” por la estrella perturbadora (línea naranja) y que se desligan del sistema (línea verde), en función del cociente de masas entre la estrella progenitora y la perturbadora (M21). La distancia del encuentro es 160 UAs. Crédito: Figura 3 del artículo original (Pfalzner et al 2021).

Por otro lado, la perturbadora necesita acercarse lo suficiente a la estrella progenitora para lograr liberar planetesimales, en función de la masa que tenga: si es menor que la progenitora necesita acercarse más (hasta unas dos veces el tamaño del disco, 200 UAs), mientras que si su masa es más de diez veces la de la progenitora, se liberan muchas partículas aunque pase relativamente lejos (tres veces el tamaño del disco, 300 UAs).

En cuanto a la velocidad de los ISOs, que depende más de la masa de la perturbadora que de la distancia a la que pase, suelen abandonar la estrella progenitora a 0.2-1.5 km/s (unas 6 veces más rápido que un avión comercial). Esto resulta interesante, ya que los ISOs producidos por mecanismos distintos escapan con velocidades diferentes: mayores (4-8 km/s) si se generan por inestabilidades durante la migración de planetas gigantes, y menores (<0.3 km/s) si se producen al final de la vida de la estrella progenitora. Por lo tanto, averiguar la velocidad de estos objetos interestelares cuando los veamos, podría ayudar a distinguir por qué mecanismo se formaron.

Otro aspecto interesante es la producción de ISOs según las características del grupo de estrellas en el que se produce el encuentro. Los tamaños de los discos protoplanetarios dependen en parte de la densidad y edad de los cúmulos, siendo más pequeños cuanto mayor densidad y edad. Por otro lado, compuestos como el agua o el monóxido de carbono (CO) sólo pueden existir en forma sólida a partir de cierta distancia de la estrella (la línea de congelamiento), de manera que discos más pequeños carecerán de ciertos compuestos. Por ello, la falta de algunos de estos compuestos en los ISOs podría aportar pistas sobre el tipo de sistema en el que se originó.

¿Y el Sistema Solar también pudo crear ISOs en su origen?

¡Pues sí, han dado en el clavo! El equipo encuentra que algunas características conocidas del Sistema Solar, como la falta de objetos a 30 UAs y las órbitas de los objetos transneptunianos, pueden explicarse por el sobrevuelo de una estrella con la mitad de la masa del Sol. Esta habría llevado una trayectoria prógrada de 60 grados de inclinación, pasando a 100 UAs de distancia y produciendo ISOs con una masa total de unas 2-3 veces la masa terrestre y una velocidad de 0.7 km/s.

Conclusiones

De entre los mecanismos sugeridos para formar objetos interestelares como ‘Oumuamua, el artículo de hoy sugiere que la velocidad de estos objetos podría ser la clave para distinguir si serían restos de planetesimales liberados de sus sistemas tras el sobrevuelo de una estrella perturbadora. Y lo cierto es que ni siquiera el Sistema Solar se libró de sufrir estos encuentros en su juventud, así que… ¡quizás en otro sistema planetario alguien está observando un ISO procedente de nuestro Sistema Solar!

Acerca de Guayente Panizo

Nací y crecí en la isla de Lanzarote (Canarias, España), y tras completar mis estudios de Física y Astrofísica me embarqué en la aventura del doctorado en el Instituto de Astrofísica de Canarias. Haciendo mi Trabajo Final de Grado conocí las estrellas binarias y fue un flechazo, así que ahora dedico mi tesis a investigar binarias de rayos X poco masivas, principalmente analizando espectros ópticos. Me gusta leer (especialmente ciencia ficción), jugar a rugby y la divulgación.

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