Una nueva forma de formar planetas: ¿un rompecabezas de décadas resuelto?

Impresión artística del disco protoplanetario con líneas de campo magnético. Crédito: Jean Favre CSCS

En los últimos 25 años, los científicos han descubierto más de 4000 planetas más allá de las fronteras de nuestro sistema solar. Desde mundos relativamente pequeños de rocas y agua hasta gigantes gaseosos increíblemente calientes, los planetas muestran una variedad notable. Esta variedad no es inesperada. Los sofisticados modelos informáticos, con los que los científicos estudian la formación de planetas, también generan planetas muy diferentes. Lo que los modelos tienen más dificultades para explicar es la distribución de masa observada de los planetas descubiertos alrededor de otras estrellas. La mayoría ha caído en la categoría de masa intermedia: planetas con masas de varias masas terrestres alrededor de la de Neptuno. Incluso en el contexto del sistema solar, la formación de Urano y Neptuno sigue siendo un misterio. Los científicos de las universidades de Zurich y Cambridge, asociados con el Swiss NCCR PlanetS, ahora han propuesto una explicación alternativa respaldada por simulaciones completas. Sus resultados fueron publicados en la revista científica Astronomía de la naturaleza.

Dos fuerzas contrastantes …

“Cuando los planetas se forman a partir del llamado disco protoplanetario de gas y polvo, las inestabilidades gravitacionales podrían ser el mecanismo impulsor”, Lucio Mayer, coautor del estudio y profesor de Astrofísica Computacional en la Universidad de Zurich, y miembro de NCCR PlanetS, explica. En este proceso, el polvo y el gas en el disco se agrupan debido a la gravedad y forman densas estructuras espirales. Estos luego crecen en bloques de construcción planetarios y eventualmente planetas.

La escala a la que ocurre este proceso es muy grande, abarcando la escala del disco protoplanetario. “Pero en distancias más cortas, la escala de planetas individuales, domina otra fuerza: la de los campos magnéticos que se desarrollan junto a los planetas”, explica Mayer. Estos campos magnéticos agitan el gas y el polvo del disco y así influyen en la formación de los planetas. “Para obtener una imagen completa del proceso de formación planetaria, es importante no solo simular la estructura en espiral a gran escala en el disco. Los campos magnéticos a pequeña escala alrededor de los crecientes bloques de construcción planetarios también deben incluirse ”, dice el autor principal del estudio, ex estudiante de doctorado de Mayer y ahora investigador en la Universidad de Cambridge, Hongping Deng.

… que son difíciles de comprender simultáneamente

Sin embargo, las diferencias en la escala y la naturaleza de la gravedad y el magnetismo hacen que las dos fuerzas sean muy difíciles de integrar en el mismo modelo de formación planetaria. Hasta ahora, las simulaciones por computadora que capturaron bien los efectos de una de las fuerzas, por lo general, funcionaron mal con la otra. Para tener éxito, el equipo desarrolló una nueva técnica de modelado. Eso requería experiencia en varias áreas diferentes: primero, necesitaban una comprensión teórica profunda de la gravedad y el magnetismo. Luego, los investigadores tuvieron que encontrar una manera de traducir la comprensión en un código que pudiera calcular de manera eficiente estas fuerzas contrastantes al unísono. Finalmente, debido a la inmensa cantidad de cálculos necesarios, se requirió una computadora poderosa, como la “Piz Daint” en el Centro Nacional de Supercomputación de Suiza (CSCS). “Además de los conocimientos teóricos y las herramientas técnicas que desarrollamos, también dependíamos del avance de la potencia informática”, dice Lucio Mayer.

¿Un rompecabezas de décadas resuelto?

Contra todo pronóstico, todo se juntó en el momento adecuado y permitió un gran avance. “Con nuestro modelo, pudimos mostrar por primera vez que los campos magnéticos dificultan que los planetas en crecimiento continúen acumulando masa más allá de cierto punto. Como resultado, los planetas gigantes se vuelven más raros y los planetas de masa intermedia mucho más frecuentes, similar a lo que observamos en la realidad ”, explica Hongping Deng.

“Estos resultados son solo un primer paso, pero muestran claramente la importancia de tener en cuenta más procesos físicos en las simulaciones de formación de planetas. Nuestro estudio ayuda a comprender las posibles vías para la formación de planetas de masa intermedia que son muy comunes en nuestra galaxia. También nos ayuda a comprender los discos protoplanetarios en general ”, concluye Ravit Helled, coautor del estudio y profesor de Astrofísica Teórica en la Universidad de Zurich y miembro de NCCR PlanetS.

Referencia: “Formación de planetas de masa intermedia a través de la fragmentación del disco controlada magnéticamente” por Hongping Deng, Lucio Mayer y Ravit Helled, 11 de febrero de 2021, Astronomía de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41550-020-01297-6