Una nueva teoría unificada para explicar la formación de planetas rocosos

Una nueva teoría sobre formación de planetas rocosos ofrece explicación al origen de las "supertierras", mundos varias veces más masivos que el nuestro y que son los más comunes en la galaxia. Además, también explica por qué las supertierras de un mismo sistema planetario suelen tener un tamaño extrañamente similar, como si cada sistema sólo fuera capaz de producir un único tipo de planeta.

"A medida que nuestras observaciones de exoplanetas han ido aumentando en la última década, ha quedado claro que la teoría estándar de la formación de planetas necesita ser revisada, empezando por los fundamentos. Necesitamos una teoría que pueda explicar simultáneamente la formación de los planetas terrestres de nuestro sistema solar y los orígenes de los sistemas autosimilares de supertierras, muchos de los cuales parecen tener una composición rocosa", afirma en un comunicado Konstantin Batygin, catedrático de Ciencias Planetarias del Caltech, que colaboró en la nueva teoría con Alessandro Morbidelli, del Observatoire de la Côte d'Azur (Francia). Nature Astronomy publicó un artículo en el que explican su trabajo.

Los sistemas planetarios comienzan su ciclo vital como grandes discos giratorios de gas y polvo que se consolidan en el transcurso de unos pocos millones de años. La mayor parte del gas se acumula en la estrella situada en el centro del sistema, mientras que el material sólido se fusiona lentamente en asteroides, cometas, planetas y lunas.

Tipos de planetas

En nuestro sistema solar hay dos tipos de planetas: los más pequeños, rocosos y cercanos al Sol, y los más grandes, gigantes gaseosos ricos en agua e hidrógeno, más alejados del Sol. En un estudio anterior publicado en Nature Astronomy a finales de 2021Nature Astronomy, esta dicotomía llevó a Morbidelli, Batygin y sus colegas a sugerir que la formación de planetas en nuestro sistema solar se produjo en dos anillos distintos en el disco protoplanetario: uno interior donde se formaron los pequeños planetas rocosos y otro exterior para los planetas helados más masivos (dos de los cuales -Júpiter y Saturno- se convirtieron más tarde en gigantes gaseosos).

Las supertierras, como su nombre indica, son más masivas que la Tierra. Algunos incluso tienen atmósferas de hidrógeno, lo que les confiere un aspecto casi de gigante gaseoso. Además, a menudo se encuentran orbitando cerca de sus estrellas, lo que sugiere que migraron a su ubicación actual desde órbitas más distantes.

"Hace unos años construimos un modelo según el cual las supertierras se formaron en la parte helada del disco protoplanetario y migraron hasta el borde interior del disco, cerca de la estrella", explica Morbidelli. "El modelo podía explicar las masas y órbitas de las supertierras, pero predecía que todas eran ricas en agua. Sin embargo, observaciones recientes han demostrado que la mayoría de las supertierras son rocosas, como la Tierra, aunque estén rodeadas de una atmósfera de hidrógeno. Esa fue la sentencia de muerte para nuestro antiguo modelo".

Descubrimiento

En los últimos cinco años, la historia se ha vuelto aún más extraña a medida que los científicos -incluido un equipo dirigido por Andrew Howard, profesor de astronomía en Caltech; Lauren Weiss, profesora adjunta en la Universidad de Notre Dame; y Erik Petigura, anteriormente becario postdoctoral Sagan en Astronomía en Caltech y ahora profesor en UCLA- han estudiado estos exoplanetas y han hecho un descubrimiento inusual: aunque existe una gran variedad de tipos de supertierras, todas las supertierras de un mismo sistema planetario tienden a ser similares en términos de espaciado orbital, tamaño, masa y otras características clave.

"Lauren descubrió que, dentro de un mismo sistema planetario, las supertierras son como guisantes en una vaina", explica Howard, que no participó directamente en el estudio Batygin-Morbidelli, pero que lo ha revisado. "Básicamente, tenemos una fábrica de planetas que sólo sabe cómo fabricar planetas de una masa, y los lanza uno tras otro".

Posible origen

Entonces, ¿qué único proceso podría haber dado lugar a los planetas rocosos de nuestro sistema solar, pero también a sistemas uniformes de supertierras rocosas? "La respuesta resulta estar relacionada con algo que descubrimos en 2020 pero que no nos dimos cuenta de que se aplicaba a la formación planetaria de forma más amplia", afirma Batygin.

En un artículo publicado en 2020 en The Astrophysical Journal, Batygin y Morbidelli propusieron una nueva teoría para la formación de las cuatro lunas más grandes de Júpiter (Io, Europa, Ganímedes y Calisto).

En esencia, demostraron que para un rango específico de tamaños de granos de polvo, la fuerza que arrastra los granos hacia Júpiter y la fuerza (o arrastre) que transporta esos granos en un flujo de gas hacia el exterior se anulan mutuamente a la perfección. Ese equilibrio de fuerzas creó un anillo de material que constituyó los bloques de construcción sólidos para la posterior formación de las lunas.

Además, la teoría sugiere que los cuerpos crecerían en el anillo hasta que fueran lo suficientemente grandes como para salir de él debido a la migración impulsada por el gas. Después, dejan de crecer, lo que explica por qué el proceso produce cuerpos de tamaños similares.

Novedades

En su nuevo artículo, Batygin y Morbidelli sugieren que el mecanismo de formación de planetas alrededor de estrellas es en gran medida el mismo. En el caso planetario, la concentración a gran escala de material rocoso sólido se produce en una estrecha franja del disco denominada línea de sublimación de silicatos, una región en la que los vapores de silicato se condensan para formar guijarros sólidos y rocosos.

"Si eres un grano de polvo, sientes un considerable viento en contra en el disco porque el gas orbita un poco más despacio, y giras en espiral hacia la estrella; pero si estás en forma de vapor, simplemente giras en espiral hacia fuera, junto con el gas en el disco en expansión. Así que ese lugar donde se pasa de vapor a sólido es donde se acumula el material", afirma Batygin.

La nueva teoría identifica esta banda como el lugar probable para una "fábrica de planetas" que, con el tiempo, puede producir varios planetas rocosos de tamaño similar. Además, a medida que los planetas adquieran masa suficiente, sus interacciones con el disco tenderán a atraer estos mundos hacia el interior, más cerca de la estrella.