21.6: Nuevas perspectivas sobre la formación de planetas
- Page ID
- 127576
Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Explicar cómo los descubrimientos de exoplanetas han revisado nuestra comprensión de la formación de planetas
- Discutir cómo podrían haber surgido sistemas planetarios bastante diferentes de nuestro sistema solar
Tradicionalmente, los astrónomos han asumido que los planetas de nuestro sistema solar se formaron aproximadamente a sus distancias actuales del Sol y han permanecido allí desde entonces. El primer paso en la formación de un planeta gigante es construir un núcleo sólido, lo que ocurre cuando los planetesimales chocan y se pegan. Eventualmente, este núcleo se vuelve lo suficientemente masivo como para comenzar a barrer el material gaseoso en el disco, construyendo así a los gigantes gaseosos Júpiter y Saturno.
Cómo hacer un Júpiter Caliente
El modelo tradicional para la formación de planetas funciona solo si los planetas gigantes se forman lejos de la estrella central (alrededor de 5—10 UA), donde el disco está lo suficientemente frío como para tener una densidad bastante alta de materia sólida. No puede explicar los Júpiter calientes, que se encuentran muy cerca de sus estrellas donde cualquier materia prima rocosa sería vaporizada por completo. Tampoco puede explicar las órbitas elípticas que observamos para algunos exoplanetas porque la órbita de un protoplaneta, cualquiera que sea su forma inicial, rápidamente se volverá circular a través de interacciones con el disco de material circundante y permanecerá así a medida que el planeta crezca barriendo materia adicional.
Entonces tenemos dos opciones: o encontramos un nuevo modelo para formar planetas cercanos al calor abrasador de la estrella madre, o encontramos una manera de cambiar las órbitas de los planetas para que los Júpiter fríos puedan viajar hacia adentro después de que se formen. La mayoría de las investigaciones ahora apoyan esta última explicación.
Los cálculos muestran que si se forma un planeta mientras una cantidad sustancial de gas permanece en el disco, entonces parte del momento angular orbital del planeta puede transferirse al disco. A medida que pierde impulso (a través de un proceso que nos recuerda los efectos de la fricción), el planeta se enrollará hacia adentro. Este proceso puede transportar planetas gigantes, inicialmente formados en regiones frías del disco, más cerca de la estrella central, produciendo así Júpiter calientes. Las interacciones gravitacionales entre planetas en el sistema solar temprano caótico también pueden hacer que los planetas se disparen hacia adentro desde grandes distancias. Pero para que esto funcione, el otro planeta tiene que llevarse el momento angular y trasladarse a una órbita más distante.
En algunos casos, podemos usar la combinación de mediciones de tránsito más Doppler para determinar si los planetas orbitan en el mismo plano y en la misma dirección que la estrella. Para los primeros casos, las cosas parecían funcionar tal como lo anticipábamos: como el sistema solar, los planetas gigantes gaseosos orbitaban en el plano ecuatorial de su estrella y en la misma dirección que la estrella que gira.
Entonces, se hicieron algunos descubrimientos sorprendentes de planetas gigantes gaseosos que orbitaban en ángulo recto o incluso en sentido contrario como el giro de la estrella. ¿Cómo podría suceder esto? Nuevamente, debe haber habido interacciones entre planetas. Es posible que antes de que el sistema se asentara, dos planetas se acercaran, de modo que uno fuera pateado a una órbita inusual. O tal vez una estrella pasajera perturbó el sistema después de que los planetas fueran recién formados.
Formando Sistemas Planetarios
Cuando la Vía Láctea era joven, las estrellas que se formaron no contenían muchos elementos pesados como el hierro. Se requirieron varias generaciones de formación estelar y muerte estelar para enriquecer el medio interestelar para las generaciones posteriores de estrellas. Dado que los planetas parecen formarse “de adentro hacia afuera”, comenzando por la acumulación de los materiales que pueden hacer los núcleos rocosos con los que comienzan los planetas, los astrónomos se preguntaron cuándo en la historia de la Galaxia se encendería la formación de planetas.
La estrella Kepler-444 ha arrojado algo de luz sobre esta cuestión. Este es un sistema muy compacto de cinco planetas, el más pequeño comparable en tamaño a Mercurio y el más grande similar en tamaño a Venus. Los cinco planetas fueron detectados con la nave espacial Kepler mientras transitaban por su estrella madre. Los cinco planetas orbitan su estrella anfitriona en menos del tiempo que tarda Mercurio en completar una órbita alrededor del Sol. Notablemente, la estrella anfitriona Kepler-444 tiene más de 11 mil millones de años y se formó cuando la Vía Láctea solo tenía 2 mil millones de años. Entonces, los elementos más pesados necesarios para hacer planetas rocosos debieron haber estado ya disponibles entonces. Este antiguo sistema planetario pone el reloj en el inicio de la formación de planetas rocosos para ser relativamente poco después de la formación de nuestra Galaxia.
Los datos de Kepler demuestran que si bien los planetas rocosos dentro de la órbita de Mercurio faltan en nuestro sistema solar, son comunes alrededor de otras estrellas, como Kepler-444. Cuando se descubrieron los primeros sistemas llenos de planetas rocosos cercanos, nos preguntamos por qué eran tan diferentes de nuestro sistema solar. Cuando se descubrieron muchos de esos sistemas, comenzamos a preguntarnos si era nuestro sistema solar el que era diferente. Esto llevó a especulaciones de que planetas rocosos adicionales podrían haber existido alguna vez cerca del Sol en nuestro sistema solar.
Hay alguna evidencia de los movimientos en el sistema solar exterior de que Júpiter pudo haber migrado hacia adentro hace mucho tiempo. Si es correcto, entonces las perturbaciones gravitacionales de Júpiter podrían haber desalojado las órbitas de planetas rocosos cercanos, provocando que cayeran al Sol. Consistente con esta imagen, los astrónomos piensan ahora que Urano y Neptuno probablemente no se formaron en sus distancias actuales del Sol sino más bien más cerca de donde están ahora Júpiter y Saturno. El motivo de esta idea es que la densidad en el disco de materia que rodeaba al Sol en el momento en que se formaron los planetas era tan baja fuera de la órbita de Saturno que tardaría varios miles de millones de años en construir Urano y Neptuno. Sin embargo, vimos anteriormente en el capítulo que los discos alrededor de las protoestrellas sobreviven solo unos pocos millones de años.
Por lo tanto, los científicos han desarrollado modelos informáticos que demuestran que Urano y Neptuno podrían haberse formado cerca de las ubicaciones actuales de Júpiter y Saturno, y luego ser expulsados a mayores distancias a través de interacciones gravitacionales con sus vecinos. Todas estas maravillosas nuevas observaciones ilustran lo peligroso que puede ser sacar conclusiones sobre un fenómeno en la ciencia (en este caso, cómo se forman y se arreglan los sistemas planetarios) cuando solo se trabaja con un solo ejemplo.
Los exoplanetas han dado lugar a una nueva imagen de la formación del sistema planetario, una que es mucho más caótica de lo que pensábamos originalmente. Si pensamos que los planetas son como patinadores en una pista, nuestro modelo original (con solo nuestro propio sistema solar como guía) asumió que los planetas se comportaban como patinadores educados, todos obedeciendo las reglas de la pista y todos moviéndose casi en la misma dirección, siguiendo caminos más o menos circulares. El nuevo cuadro corresponde más a un roller derby, donde los patinadores chocan entre sí, cambian de dirección, y a veces son arrojados por completo fuera de la pista.
Exoplanetas habitables
Si bien se han descubierto miles de exoplanetas en las últimas dos décadas, cada técnica de observación no ha llegado a encontrar más de unos pocos candidatos que se asemejen a la Tierra (Figura\(\PageIndex{1}\)). Los astrónomos no están seguros exactamente qué propiedades definirían a otra Tierra. ¿Necesitamos encontrar un planeta que sea exactamente del mismo tamaño y masa que la Tierra? Eso puede ser difícil y puede no ser importante desde la perspectiva de la habitabilidad. Después de todo, no tenemos razón para pensar que la vida no podría haber surgido en la Tierra si nuestro planeta hubiera sido un poco más pequeño o más grande. Y, recuerda que lo habitable que es un planeta depende tanto de su distancia de su estrella como de la naturaleza de su atmósfera. El efecto invernadero puede hacer que algunos planetas sean más cálidos (como lo hizo para Venus y lo está haciendo cada vez más para la Tierra).
Podemos hacer otras preguntas a las que aún no conocemos las respuestas. ¿Este “gemelo” de la Tierra necesita orbitar una estrella de tipo solar, o podemos considerar como candidatos a los numerosos exoplanetas que orbitan estrellas de clase K y M? (En el verano de 2016, los astrónomos reportaron el descubrimiento de un planeta con al menos 1.3 veces la masa de la Tierra alrededor de la estrella más cercana, Próxima Centauri, que es de tipo espectral M y se encuentra a 4.2 años luz de nosotros). Tenemos un interés especial en encontrar planetas que puedan soportar vida como la nuestra, en cuyo caso, necesitamos encontrar exoplanetas dentro de la zona habitable de su estrella, donde las temperaturas superficiales sean consistentes con el agua líquida en la superficie. Esta es probablemente la característica más importante que define un exoplaneta análogo a la Tierra.
La búsqueda de mundos potencialmente habitables es uno de los principales impulsores de la investigación de exoplanetas en la próxima década. Los astrónomos están comenzando a desarrollar planes realistas para nuevos instrumentos que incluso puedan buscar signos de vida en mundos distantes (examinando sus atmósferas en busca de gases asociados a la vida, por ejemplo). Si requerimos telescopios en el espacio para encontrar tales mundos, debemos reconocer que se requieren años para planificar, construir y lanzar dichos observatorios espaciales. El descubrimiento de exoplanetas y el conocimiento que la mayoría de las estrellas tienen sistemas planetarios están transformando nuestro pensamiento sobre la vida más allá de la Tierra. Estamos más cerca que nunca de saber si los planetas habitables (y habitados) son comunes. Esta obra da un nuevo espíritu de optimismo a la búsqueda de la vida en otro lugar, tema al que volveremos en Vida en el Universo.
Echa un vistazo a la habitabilidad de varias estrellas y planetas probando el Simulador interactivo Circumstellar Habitable Zone y selecciona un sistema estelar para investigar.
Resumen
El conjunto de exoplanetas es increíblemente diverso y ha llevado a una revisión en nuestra comprensión de la formación de planetas que incluye la posibilidad de interacciones vigorosas y caóticas, con la migración y dispersión del planeta. Es posible que el sistema solar sea inusual (y no representativo) en la forma en que están dispuestos sus planetas. Muchos sistemas parecen tener planetas rocosos más adentro que nosotros, por ejemplo, y algunos incluso tienen “Júpiter calientes” muy cerca de su estrella. Los experimentos espaciales ambiciosos deberían permitir obtener imágenes de planetas terrenales fuera del sistema solar e incluso obtener información sobre su habitabilidad mientras buscamos vida en otro lugar.