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| La adición de falso color a una imagen captada por el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, o ALMA, revela una serie de anillos alrededor de una joven estrella llamada HD163296. Crédito de la imagen: Andrea Isella/Rice University |
Antes de que el sistema solar tuviera planetas, el sol tenía anillos - bandas de polvo y gas similares a los anillos de Saturno - que probablemente desempeñaron un papel en la formación de la Tierra, según un nuevo estudio.
"En el sistema solar, algo ocurrió para evitar que la Tierra creciera hasta convertirse en un tipo de planeta terrestre mucho más grande llamado supertierra", dijo el astrofísico de la Universidad de Rice André Izidoro, refiriéndose a los planetas rocosos masivos que se ven alrededor de al menos el 30% de las estrellas similares al sol en nuestra galaxia.
Izidoro y sus colegas utilizaron un superordenador para simular la formación del sistema solar cientos de veces. Su modelo, que se describe en un estudio publicado en línea en Nature Astronomy, produjo anillos como los que se ven alrededor de muchas estrellas jóvenes y distantes. También reprodujo fielmente varias características del sistema solar que muchos modelos anteriores habían pasado por alto, entre ellas:
● Un cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter que contiene objetos tanto del sistema solar interior como del exterior.
● La ubicación y las órbitas estables y casi circulares de la Tierra, Marte, Venus y Mercurio.
● Las masas de los planetas interiores, incluido Marte, que muchos modelos del sistema solar sobrestiman.
● La dicotomía entre la composición química de los objetos del sistema solar interior y exterior.
● Una región del cinturón de Kuiper de cometas, asteroides y pequeños cuerpos más allá de la órbita de Neptuno.
El estudio realizado por astrónomos, astrofísicos y científicos planetarios de Rice, la Universidad de Burdeos, el Instituto de Investigación del Suroeste de Boulder (Colorado) y el Instituto Max Planck de Astronomía de Heidelberg (Alemania) se basa en las últimas investigaciones astronómicas sobre sistemas estelares nacientes.
Su modelo supone que dentro del disco de gas y polvo del joven sol surgieron tres bandas de alta presión. Tales "protuberancias de presión" se han observado en discos estelares anillados alrededor de estrellas distantes, y el estudio explica cómo las protuberancias de presión y los anillos podrían explicar la arquitectura del sistema solar, dijo el autor principal Izidoro, un investigador postdoctoral de Rice que recibió su formación de doctorado en la Universidad Estatal de São Paulo en Brasil.
"Si las supertierras son supercomunes, ¿por qué no tenemos una en el sistema solar?" dijo Izidoro. "Proponemos que los golpes de presión produjeron depósitos desconectados de material del disco en el sistema solar interior y exterior y regularon la cantidad de material disponible para el crecimiento de planetas en el sistema solar interior".
Durante décadas, los científicos creyeron que el gas y el polvo de los discos protoplanetarios se volvían gradualmente menos densos, disminuyendo suavemente en función de la distancia a la estrella. Pero las simulaciones por ordenador muestran que es poco probable que se formen planetas en escenarios de discos suaves.
Cuando las partículas se mueven más rápido que el gas que las rodea, "sienten un viento en contra y se desvían muy rápidamente hacia la estrella", explicó Izidoro. En los puntos de presión, la presión del gas aumenta, las moléculas de gas se mueven más rápido y las partículas sólidas dejan de sentir el viento en contra. "Eso es lo que permite que las partículas de polvo se acumulen en los golpes de presión", dijo.
Isella dijo que los astrónomos han observado golpes de presión y anillos de discos protoplanetarios con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, o ALMA, un enorme radiotelescopio de 66 platos que entró en funcionamiento en Chile en 2013.
Formación de anillos
El modelo de Izidoro y sus colegas suponía que las protuberancias de presión se formaron en el sistema solar primitivo en tres lugares donde las partículas que caen hacia el sol habrían liberado grandes cantidades de gas vaporizado.
En las simulaciones de Rice, los golpes de presión en las líneas de sublimación del silicato, el agua y el monóxido de carbono produjeron tres anillos distintos. En la línea de los silicatos, el ingrediente básico de la arena y el vidrio, el dióxido de silicio, se convirtió en vapor. Esto produjo el anillo más cercano al Sol, donde más tarde se formarían Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. El anillo intermedio apareció en la línea de la nieve y el más lejano en la línea del monóxido de carbono.
Los discos protoplanetarios se enfrían con la edad, por lo que las líneas de sublimación habrían migrado hacia el sol. El estudio demostró que este proceso podría permitir que el polvo se acumule en objetos del tamaño de un asteroide, llamados planetesimales, que luego podrían unirse para formar planetas. Izidoro dijo que estudios anteriores suponían que los planetesimales podían formarse si el polvo estaba suficientemente concentrado, pero ningún modelo ofrecía una explicación teórica convincente de cómo podría acumularse el polvo.
"Nuestro modelo muestra que las protuberancias de presión pueden concentrar el polvo, y que las protuberancias de presión en movimiento pueden actuar como fábricas de planetesimales", dijo Izidoro. "Simulamos la formación de planetas comenzando con granos de polvo y cubriendo muchas etapas diferentes, desde pequeños granos de tamaño milimétrico hasta planetesimales y luego planetas".
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| Ilustración de tres anillos distintos de formación de planetesimales que podrían haber producido los planetas y otras características del sistema solar, según un modelo computacional de la Universidad de Rice. La vaporización de los silicatos sólidos, el agua y el monóxido de carbono en las "líneas de sublimación" (arriba) provocó "golpes de presión" en el disco protoplanetario del Sol, atrapando el polvo en tres anillos distintos. A medida que el sol se enfriaba, los golpes de presión migraban hacia el sol permitiendo que el polvo atrapado se acumulara en planetesimales del tamaño de un asteroide. La composición química de los objetos del anillo interior (NC) difiere de la de los objetos del anillo medio y exterior (CC). Los planetesimales del anillo interior produjeron los planetas del sistema solar interior (abajo), y los planetesimales de los anillos medio y exterior produjeron los planetas del sistema solar exterior y el cinturón de Kuiper (no se muestra). El cinturón de asteroides se formó (arriba en el centro) a partir de objetos NC aportados por el anillo interior (flechas rojas) y objetos CC del anillo central (flechas blancas). Crédito de la imagen: Rajdeep Dasgupta / Rice University |
Muchas simulaciones anteriores del sistema solar produjeron versiones de Marte hasta 10 veces más masivas que la Tierra. El modelo predice correctamente que Marte tiene alrededor del 10% de la masa de la Tierra porque "Marte nació en una región de baja masa del disco", dijo Izidoro.
Dasgupta dijo que el modelo también proporciona una explicación convincente para dos de los misterios cosmoquímicos del sistema solar: la marcada diferencia entre las composiciones químicas de los objetos del sistema solar interior y exterior, y la presencia de cada uno de esos objetos en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter.
Las simulaciones de Izidoro mostraron que el anillo central podría explicar la dicotomía química al impedir que el material del sistema exterior entrara en el sistema interior. Las simulaciones también produjeron el cinturón de asteroides en su ubicación correcta, y mostraron que se alimentaba de objetos tanto de la región interior como de la exterior.
Izidoro dijo que el retraso en la aparición del anillo central del sol en algunas simulaciones condujo a la formación de super-Tierras, lo que apunta a la importancia de la sincronización de la protuberancia de presión.
"Cuando se formó la protuberancia de presión en esos casos, una gran cantidad de masa ya había invadido el sistema interior y estaba disponible para hacer super-Tierras", dijo. "Así que el momento en que se formó esta protuberancia de presión media podría ser un aspecto clave del sistema solar".
Fuentes, créditos y referencias:
Andre Izidoro, Rajdeep Dasgupta, Sean N. Raymond, Rogerio Deienno, Bertram Bitsch, Andrea Isella. Planetesimal rings as the cause of the Solar System’s planetary architecture. Nature Astronomy, 2021; DOI: 10.1038/s41550-021-01557-z