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| Una vista de los planetas de nuestro Sistema Solar. Crédito de la imagen: Jenny Mottar / NASA. |
¿Por qué planetas como Mercurio tiene un núcleo de hierro tan grande? Por el magnetismo.
Los planetas terrestres (Mercurio, Venus, la Tierra y Marte) se diferencian en tres capas: un núcleo metálico, una envoltura de silicatos (manto y corteza) y una envoltura volátil de gases, hielos y, en el caso de la Tierra, agua líquida. Cada capa tiene diferentes elementos dominantes (por ejemplo, el contenido de hierro aumenta con la profundidad y el de oxígeno con la superficie). Las condritas, los bloques de construcción de los planetas terrestres, tienen masas y proporciones atómicas de oxígeno, hierro, magnesio y silicio que suman ≥ 90% y variables Mg/Si (∼ 25%), Fe/Si (factor de ≥2) y Fe/O (factor de ≥ 3). Lo que sigue siendo una incógnita es hasta qué punto influyeron los procesos físicos durante la acreción del disco nebular frente a los de la acreción del disco postnebular (por ejemplo, la erosión por impacto) en las composiciones finales de estos planetas. Aquí predecimos las composiciones de los planetas terrestres y mostramos que sus fracciones de masa del núcleo y sus densidades no comprimidas se correlacionan con su distancia heliocéntrica, y siguen un modelo simple de la intensidad del campo magnético en el disco protoplanetario. Nuestro modelo evalúa la distribución del hierro en términos de un estado de oxidación creciente, la aerodinámica y una intensidad de campo magnético decreciente hacia el exterior del Sol, lo que lleva a que el tamaño del núcleo de los planetas terrestres disminuya con la distancia radial. Esta distribución mejora la habitabilidad en nuestro sistema solar y puede ser igualmente aplicable a los sistemas exoplanetarios.
Un nuevo estudio cuestiona la hipótesis predominante sobre por qué Mercurio tiene un núcleo grande en relación con su manto (la capa entre el núcleo y la corteza de un planeta). Durante décadas, los científicos han argumentado que las colisiones con otros cuerpos durante la formación de nuestro sistema solar destruyeron gran parte del manto rocoso de Mercurio y dejaron el gran y denso núcleo metálico en su interior. Pero una nueva investigación revela que la culpa no es de las colisiones, sino del magnetismo del Sol.
William McDonough, profesor de geología de la Universidad de Maryland, y Takashi Yoshizaki, de la Universidad de Tohoku, desarrollaron un modelo que demuestra que la densidad, la masa y el contenido de hierro del núcleo de un planeta rocoso están influidos por su distancia al campo magnético del Sol. El artículo que describe el modelo se publicó el 2 de julio de 2021 en la revista Progress in Earth and Planetary Science.
"Los cuatro planetas interiores de nuestro sistema solar -Mercurio, Venus, la Tierra y Marte- están formados por diferentes proporciones de metal y roca", dijo McDonough. "Existe un gradiente en el que el contenido de metal en el núcleo disminuye a medida que los planetas se alejan del sol. Nuestro trabajo explica cómo ocurrió esto, mostrando que la distribución de las materias primas en el sistema solar en formación temprana estaba controlada por el campo magnético del sol."
McDonough desarrolló previamente un modelo para la composición de la Tierra que los científicos planetarios utilizan habitualmente para determinar la composición de los exoplanetas. (Su artículo seminal sobre este trabajo ha sido citado más de 8.000 veces).
El nuevo modelo de McDonough muestra que durante la formación temprana de nuestro sistema solar, cuando el joven sol estaba rodeado por una nube arremolinada de polvo y gas, los granos de hierro fueron atraídos hacia el centro por el campo magnético del sol. Cuando los planetas empezaron a formarse a partir de cúmulos de ese polvo y gas, los planetas más cercanos al sol incorporaron más hierro en sus núcleos que los más alejados.
Los investigadores descubrieron que la densidad y la proporción de hierro en el núcleo de un planeta rocoso se correlacionan con la fuerza del campo magnético alrededor del sol durante la formación planetaria. Su nuevo estudio sugiere que el magnetismo debería tenerse en cuenta en futuros intentos de describir la composición de los planetas rocosos, incluidos los que están fuera de nuestro sistema solar.
La composición del núcleo de un planeta es importante para su potencial de albergar vida. En la Tierra, por ejemplo, un núcleo de hierro fundido crea una magnetosfera que protege al planeta de los rayos cósmicos cancerígenos. El núcleo también contiene la mayor parte del fósforo del planeta, que es un nutriente importante para mantener la vida basada en el carbono.
Utilizando los modelos existentes de formación planetaria, McDonough determinó la velocidad a la que el gas y el polvo fueron atraídos hacia el centro de nuestro sistema solar durante su formación. Tuvo en cuenta el campo magnético que habría generado el Sol al nacer y calculó cómo ese campo magnético atraería al hierro a través de la nube de polvo y gas.
Cuando el sistema solar primitivo empezó a enfriarse, el polvo y el gas que no eran atraídos por el sol empezaron a agruparse. Los cúmulos más cercanos al sol habrían estado expuestos a un campo magnético más intenso y, por tanto, contendrían más hierro que los más alejados del sol. A medida que las aglomeraciones se unían y se enfriaban para convertirse en planetas giratorios, las fuerzas gravitatorias atraían el hierro hacia su núcleo.
Cuando McDonough incorporó este modelo a los cálculos de la formación planetaria, reveló un gradiente en el contenido de metal y la densidad que se corresponde perfectamente con lo que los científicos saben sobre los planetas de nuestro sistema solar. Mercurio tiene un núcleo metálico que constituye unas tres cuartas partes de su masa. Los núcleos de la Tierra y Venus sólo representan un tercio de su masa, y Marte, el más exterior de los planetas rocosos, tiene un núcleo pequeño que sólo representa una cuarta parte de su masa.
Esta nueva comprensión del papel que desempeña el magnetismo en la formación de los planetas crea un problema en el estudio de los exoplanetas, ya que actualmente no existe ningún método para determinar las propiedades magnéticas de una estrella a partir de observaciones realizadas en la Tierra. Los científicos deducen la composición de un exoplaneta basándose en el espectro de luz que irradia su sol. Los diferentes elementos de una estrella emiten radiación en diferentes longitudes de onda, por lo que la medición de esas longitudes de onda revela de qué está hecha la estrella, y presumiblemente los planetas que la rodean.
"Ya no se puede decir simplemente: 'Oh, la composición de una estrella es así, por lo que los planetas que la rodean deben ser así'", dijo McDonough. "Ahora tienes que decir: 'Cada planeta podría tener más o menos hierro en función de las propiedades magnéticas de la estrella en el crecimiento temprano del sistema solar'".
Los siguientes pasos en este trabajo serán que los científicos encuentren otro sistema planetario como el nuestro: uno con planetas rocosos repartidos a grandes distancias de su sol central. Si la densidad de los planetas desciende a medida que se alejan del sol como ocurre en nuestro sistema solar, los investigadores podrían confirmar esta nueva teoría e inferir que un campo magnético influyó en la formación planetaria.
Fuentes, créditos y referencias:
El artículo de investigación, "Terrestrial planet compositions controlled by accretion disk magnetic field" (Composición de los planetas terrestres controlada por el campo magnético del disco de acreción), McDonough, W. F. y Yoshizaki, T., se publicó el 2 de julio de 2021 en la revista Progress in Earth and Planetary Science.
Mas Informacion:
William F. McDonough et al, Terrestrial planet compositions controlled by accretion disk magnetic field, Progress in Earth and Planetary Science (2021). DOI: 10.1186/s40645-021-00429-4
Provided by University of Maryland