El peligroso Sistema Solar, los exoplanetas y la formación planetaria

Explicar el origen de los planetas, incluyendo al hogar que nos alberga, la Tierra, es uno de los grandes desafíos pendientes para el conocimiento humano.

Cometa Halley, 1910.

Cometa Halley, 1910. Fuente: Wikipedia.

Explicar el origen de los planetas, incluyendo al hogar que nos alberga, la Tierra —el tercer mundo de un sistema planetario que orbita alrededor de la estrella llamada Sol—, es uno de los grandes desafíos pendientes para el conocimiento humano. Si lo pensamos bien, llevamos siglos de investigación invertidos en el estudio persistente de los planetas del Sistema Solar. Sin embargo, es recién hoy que la humanidad está descubriendo la verdadera complejidad detrás de una de las más simples y básicas de las preguntas: ¿Cómo nació nuestro mundo?

Durante los últimos siglos hemos visto nacer un sin número de teorías de formación de planetas. Hemos descubierto decenas de nuevos satélites naturales alrededor de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno y, como si fuera poco, atestiguamos el día en que la Luna pasó de ser una inalcanzable lámpara de noche a un verdadero destino turístico.

Últimamente, la exploración espacial y la astronómica nos han informado de la existencia de lugares fascinantes en los planetas vecinos, que sugieren paisajes fantásticos. Lugares como Venus, planeta hermano a la Tierra por su similar tamaño y cercanía de órbita, considerado un bello lucero, ahora sabemos que en su superficie se sufre de una oscuridad casi absoluta, cubierto constantemente de densas nubes que mantienen la luz alejada. Estas mismas nubes amarillentas mantienen el calor atrapado produciendo temperaturas extremas, intolerables para el ser humano, además de niveles de presión atmosférica tan altos que desencadenan lluvias de metales pesados en estado líquido. Por otro lado, ahora sabemos de la existencia de innumerables asteroides en las afueras del Sistema Solar, con domicilio más allá de la órbita de Neptuno (de hecho, a estos objetos los llamamos «objetos trans-neptunianos»), con diámetros que varían desde unos pocos metros hasta miles de kilómetros, algunos tan grandes como algunos continentes en la Tierra. Plutón, por ejemplo, es el primer objeto trans-neptuniano descubierto. Si bien la mayoría de estos objetos existen en resonancia con la órbita de Neptuno y se mantienen a una distancia constante de la Tierra, hay algunos más inestables que son capaces de caer hacia el interior del Sistema Solar y colisionar con quien quiera se ponga en su camino —incluyendo a nuestro planeta Tierra. Imaginen recibir a un visitante de roca proveniente de los lugares más recónditos del tamaño de Barcelona o más.

A medida que nuestro conocimiento aumenta, el Sistema Solar, ese que solía ser un arquetipo de regularidad y calma celestial, se ha transformado en un lugar peligroso, desordenado, con una complejidad y misterios que hasta hace poco ignorábamos.

Hasta hace muy poco solo podíamos estudiar el origen de los planetas basándonos en el que pensábamos era un único y familiar ejemplo: nuestro Sistema Solar. En ese entonces, la idea detrás de la formación de un planeta era bastante simple, principalmente debido a la falta de datos. En 1995, observaciones de una estrella en la constelación de Pegaso cambiaron para siempre nuestro paradigma planetario. El descubrimiento de 51 Pegasi, primer planeta detectado en órbita alrededor de una estrella distinta al Sol, sacó al Sistema Solar, algún día considerado único en su clase, de su sitial en la Galaxia. A estos planetas en órbita alrededor de otras estrellas, y por tanto no pertenecientes al Sistema Solar, se les llamó exoplanetas. En cuestión de meses se identificaron varios otros sistemas planetarios externos. Luego de algunos años, ya eran casi cien los nuevos mundos que entraban a nuestro mapa estelar. Hoy en día (agosto de 2014) ya hay más de 1800 exoplanetas confirmados en órbita alrededor de estrellas de nuestra vecindad galáctica. Más aún, hay miles de detecciones posibles que quedan por confirmar dentro de nuestra Galaxia, la Vía Láctea.

Lo más interesante de esta nueva multiplicidad de mundos es la amplia gama de configuraciones, tamaños, distancias y colores con la que se nos presentan estos nuevos exoplanetas y sus estrellas. Esta variedad de sistemas planetarios refleja una gran y profunda complejidad en el proceso de nacimiento de los planetas que antes no conocíamos.

Pero, volvamos a la pregunta principal: ¿Cómo se formaron los planetas? De hecho, el proceso de formación planetaria (creemos) es un resultado natural del proceso de formación de estrellas. Entonces, primero cabe preguntarse: ¿Cómo se forma una estrella?

Imaginad una nube gigantesca asentada en la Galaxia, una masa formada principalmente de moléculas de hidrógeno y en menor medida por piedrecitas diminutas (polvo) y otras moléculas más complejas. Esta nube es gravitacionalmente inestable y colapsa sobre sí misma, debido a su propio peso, produciendo pequeñas masas o grumos aún más densos, que procederán comprimiendo todavía más hasta convertirse en estrellas. Debido a la cantidad de movimiento inicial de la nube y su simetría esférica rotacional, el resultado de este colapso es la formación de una estrella rodeada por un disco de gas y polvo. Hasta aquí el proceso ha tardado no más de unos cien mil años terrestres. Ahora, la estrella recién nacida, ya capaz de producir radiación utilizando la eficiencia de la fusión nuclear, comienza a brillar. La estrella continúa ganando masa extrayéndola del disco por unos diez millones de años más. Luego de esto, el disco de gas ya se ha disipado empujado por el viento solar emitido por la estrella recién formada.

La mayoría de los astrónomos concuerdan que es este disco de gas el que da origen a una gran variedad de planetas, tanto rocosos como gaseosos gigantes. Esta es la razón por la que estos discos son llamados protoplanetarios. Pero, ojo, los planetas gaseosos deberán formarse durante los primeros diez millones de años, cuando el disco es aún joven y rico en gas. Si bien el proceso de formación de estrellas es relativamente simple y bien conocido, los fenómenos físicos que conducen desde un disco protoplanetario hasta la formación de planetas está aún por entenderse.

Lograr observaciones de sistemas planetarios extrasolares, en sus variadas etapas de formación, es uno de los objetivos principales de la astrofísica actual. Hasta hace unos años el énfasis se había puesto en las observaciones de luz visible (óptica) e infrarroja. Sin embargo, los procesos físicos que queremos atestiguar suceden en ambientes donde predominan gases moleculares y polvo que son más notorios y fáciles de detectar en la longitudes de onda más largas. La región de ondas milimétricas y submilimétricas es de especial atractivo e interés, porque es ahí donde se pueden observar cuerpos fríos, tales como el material protoplanetario en la vecindad de planetas en formación. Este es el régimen que observa, por ejemplo, el Atacama Large Millimeter Array, más bien conocido como telescopio ALMA.

ALMA, ubicado en el llano de Chajnantor, en lo más alto de los Andes en Chile, consta de un gran número de antenas capaces de captar información directa de varias de las primeras etapas de formación planetaria. A los telescopios que están compuestos de un número de antenas mayor que uno les llamamos interferómetros. ALMA, al igual que cualquier interferómetro, combina la luz recolectada por sus antenas, para lograr una resolución muy alta, usualmente equivalente a la de un gran telescopio de un diámetro igual a la separación máxima entre las dos antenas más alejadas. En el caso de ALMA, esta separación puede ser de hasta 16 kilómetros.

Desde el comienzo de esta narrativa hemos establecido que la formación de un planeta no es un proceso completamente conocido. La teoría básica nos cuenta que un planeta se forma al acumular material del disco protoplanetario, en forma de agregados de polvo que comienzan a crecer como una bola de nieve, hasta formar núcleos de planeta de varios kilómetros de diámetro. Estos agregados de polvo es a lo que llamamos planetesimales. Luego, hay un periodo de compactación del agregado (planetesimal). Un proceso que se repite por miles de años. A medida que el tamaño de los agregados de polvo aumenta, hasta más o menos varios centímetros, la velocidad de las colisiones entre ellos también aumenta, conduciendo a un periodo de fragmentación y destrucción de los mismos agregados, lo cual previene su mayor crecimiento. Entonces, ¿cómo se llega a formar planetesimales de tamaños del orden de un metro o más? Y más aún, ¿cómo podemos llegar a que un grupo de planetesimales alcance el tamaño de un planeta como la Tierra?

Un posible mecanismo físico para la formación de planetesimales radica en la concentración de partículas de polvo en vórtices del disco (esto es ciencia muy reciente). En estos lugares, las partículas sienten una presión de gas muy alta. Lo mismo ocurre en el ojo de un tornado terrestre, por ejemplo. Esto nos indica que, en discos protoplanetarios, el polvo (planetesimales) se junta en el centro de estos tornados gigantes, posiblemente ayudando un poco al crecimiento de planetesimales.

Observación real ALMA de HD142527 en color falso. Muestra los elementos distintivos de este disco protoplanetario: el vórtice con concentración de polvo (en rojo) y los flujos de material posiblemente canalizados por planetas en formación. Casassus et al. 2013, publicado en la revista Nature.

Observación real ALMA de HD142527 en color falso. Muestra los elementos distintivos de este disco protoplanetario: el vórtice con concentración de polvo (en rojo) y los flujos de material posiblemente canalizados por planetas en formación. Casassus et al. 2013, publicado en la revista Nature. Fuente: ALMA.

Utilizando ALMA se ha logrado obtener una imagen sorprendente de uno de estos vórtices en un disco protoplanetario alrededor de una estrella cercana. La estrella se llama HD 142527, se le encuentra hacia la constelación del Lobo y está a unos 140 «parsecs» de distancia [1], en una región de formación estelar activa. Ver figuras 1 y 2. En esta observación ALMA, ¡también se evidenció la presencia de dos posibles planetas en formación dentro del disco! Solo como curiosidad les puedo contar que esa imagen ALMA está constituida de datos de 16 antenas de 12 metros cada una, usadas de forma simultánea para alcanzar la resolución necesaria. En total corresponde a solo un par de horas de observación, lo que equivale a casi un terabyte de información cruda que los astrónomos debemos procesar.

Impresión de artista de HD142527.

Impresión de artista de HD142527. Fuente: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Kornmesser (ESO).

Vivimos en un tiempo excitante. En los últimos años las nuevas tecnologías han puesto en evidencia una gran complejidad y variedad de fenómenos físicos relacionados con la formación planetaria. Sin embargo, aún nos falta mucho por descubrir y entender para poder ser capaces de responder a la simple pregunta: ¿Cómo se formó nuestro planeta?


[1] 1 parsec es la unidad de distancia más usada en astronomía galáctica y equivale a 3,3 años luz.

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  • Yanina Valeria | 25 septiembre 2014

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