¿Qué forma tiene un planeta joven? Una de las cuestiones más interesantes de la astronomía contemporánea está relacionada con la formación de planetas. Es casi imposible ver cómo se forman planetas reales. Ahora, una serie de nuevas simulaciones informáticas muestran que los planetas grandes que se forman bastante lejos de sus estrellas anfitrionas comienzan sus vidas de una forma distinta a como los imaginamos: no como una esfera, sino como una estructura aplanada.
La Tierra no es plana pero Júpiter sí pudo haberlo sidoMidjourney/Sarah Romero
En su estudio, publicado por el momento en el servidor de preimpresión arXiv -y que ha sido aceptado para su publicación en la revista Astronomy and Astrophysics Letters-, los científicos del Instituto Jeremiah Horrocks de Matemáticas, Física y Astronomía de la UCLan, pretendían determinar la estructura tridimensional de los protoplanetas con inestabilidad de disco y examinar cómo se relaciona con la física térmica del proceso de fragmentación.
«Hemos estado estudiando la formación de planetas durante mucho tiempo, pero nunca antes se nos había ocurrido comprobar la forma de los planetas a medida que se forman en las simulaciones», comentó Dimitris Stamatellos, coinvestigador del estudio. «Siempre habíamos asumido que eran esféricos».
Observando el proceso de las simulaciones
Para ello, utilizaron simulaciones por ordenador para modelar la formación de planetas basándose en la teoría de la inestabilidad del disco. Según esta teoría, los protoplanetas emergen rápidamente de la fragmentación de grandes discos giratorios de gas denso que rodean estrellas jóvenes.
«En las últimas tres décadas se han descubierto muchos exoplanetas, que son planetas que orbitan alrededor de estrellas en otros sistemas solares fuera del nuestro. A pesar de observar muchos miles de ellos, cómo se forman sigue sin explicarse”, aclara Adam Fenton, líder de la investigación. «Se cree que se forman a través de la ‘acreción del núcleo’ o acreción central, que es un crecimiento gradual de partículas de polvo que se unen para formar objetos cada vez más grandes en escalas de tiempo largas, o directamente mediante la ruptura de grandes discos protoestelares en rotación alrededor de estrellas jóvenes en escalas de tiempo cortas, que es lo que llamamos la teoría de la inestabilidad del disco».
Planeta joven simulado visto desde arriba (izquierda) y desde un lado (derecha)arXiv (2024)
Limitaciones
Pero esta teoría tiene limitaciones. No puede explicar cómo se forman los gigantes gaseosos porque la acreción del núcleo tardaría una eternidad en manifestarse en un planeta como Júpiter. Tampoco puede explicar bien la presencia de lunas.
Pero planteando una teoría alternativa, la teoría de la fragmentación del disco, explica cómo los gigantes gaseosos pueden formarse en órbitas más amplias que los planetas terrestres. Esto ocurre cuando el disco que se enfría rápidamente alrededor de la estrella se rompe en pedazos que se condensan bajo la gravedad y forman planetas. Gracias a las inestabilidades del disco protoplanetario, se forman rápidamente cúmulos masivos del tamaño de un planeta en el disco y su gravedad atrae más material hacia ellos. Con el tiempo, se formarían planetas como Júpiter y Saturno. «Esta teoría es atractiva debido al hecho de que los planetas grandes pueden formarse muy rápidamente a grandes distancias de su estrella anfitriona, lo que explica algunas observaciones de exoplanetas», dijo Fenton.
Concepto de Tierra planaMidjourney/Sarah Romero
El resultado es que la forma de los planetas es un esferoide achatado, lo que explicaría la presencia de planetas que son mucho más grandes de lo esperado para su estrella, planetas con amplias separaciones orbitales o planetas grandes que se forman rápidamente (y cuya existencia no se podía explicar por la teoría de acreción).
«Fue un proyecto computacional extremadamente exigente que requirió medio millón de horas de CPU en la instalación de computación de alto rendimiento DiRAC [Investigación distribuida utilizando computación avanzada] del Reino Unido», apuntó el experto. «¡Pero los resultados fueron sorprendentes y valieron la pena el esfuerzo!».
Los investigadores también descubrieron que los nuevos planetas crecen a medida que cae material sobre ellos, predominantemente desde sus polos más que desde su ecuador. «La gran mayoría de los protoplanetas que se forman en las simulaciones son esferoides achatados en lugar de esféricos, y se acumulan más rápidamente desde sus polos», explican los investigadores.
Recreación de formación de planeta jovenarXiv (2024)
En resumen, han descubierto que cuando los planetas se forman mediante el método de inestabilidad del disco, no crecen hacia afuera de manera uniforme, sino que tienden a acumular más material en sus polos, estirándolos en forma de “esferoide achatado”, que tiene una especie de forma ovalada aplanada. A medida que los planetas jóvenes crecen, adoptarán su forma esférica que todos conocemos.
Estos hallazgos tienen implicaciones importantes para las observaciones de planetas jóvenes, ya que sugieren que la forma en que aparecen los planetas a través de un telescopio depende del ángulo de visión.
Recreación artísticaMidjourney/Sarah Romero
Referencias:
- Adam Fenton et al, The 3D structure of disc-instability protoplanets, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2402.01432 Astronomy and Astrophysics Letters (PDF).
- Kennedy, G., Matrà, L., Facchini, S., Milli, J., Panić, O., Price, D., Wilner, D., Wyatt, M., & Yelverton, B. (2019). A circumbinary protoplanetary disk in a polar configuration. Nature Astronomy, 3, 230-235. https://doi.org/10.1038/s41550-018-0667-x.
- Haffert, S., Bohn, A., Boer, J., Snellen, I., Brinchmann, J., Girard, J., Keller, C., & Bacon, R. (2019). Two accreting protoplanets around the young star PDS 70. Nature Astronomy, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41550-019-0780-5.
