El Sofista

La génesis caótica de los planetas (cont.)

Continuación del artículo de Douglas N. C. Lin publicado en la revista Scientific American del 12 de mayo de 2008, cuya primera parte traduje aquí.


2. El disco se auto-ordena
Tiempo: cerca de 1 millón de años

Los granos de polvo del disco protoplanetario son revueltos por el gas circundante y colisionan entre sí, a veces permanecen unidos, otras veces se desintegran. Los granos interceptan la luz de la estrella y re-emiten luz infrarroja de baja longitud de onda, asegurándose que el calor alcance incluso las regiones más oscuras del interior del disco. La temperatura, densidad y presión de un gas decrece generalmente con la distancia a la estrella. A causa del balance de la presión, rotación y gravedad, el gas gira alrededor de la estrella un poco más despacio que lo haría un cuerpo independiente a la misma distancia.

En el límite de la nieve, las moléculas de agua tienden a acumularse a medida que salen de los granos. Esta acumulación de agua impulsa una cascada de efectos. Produce una discontinuidad en las propiedades del gas en el límite de la nieve, que conduce a que allí se reduzca la presión. El balance de fuerzas provoca que el gas acelere su revolución alrededor de la estrella central. Por consiguiente, los granos en las proximidades sienten un viento de frente y no uno de cola, lo que aumenta su velocidad y detiene su migración hacia el interior. A medida que los granos continúan llegando desde las partes exteriores del disco, se apilan en el límite de la nieve. En efecto, el límite de la nieve se convierte en un banco de nieve.

En la imagen (clic para ampliar): Pelusas de polvo cósmico. Incluso los planetas más poderosos tienen orígenes humildes: como granos de polvo del tamaño de un micrón (las cenizas de estrellas muertas hace tiempo) integrados en un disco de gas que gira velozmente. La temperatura del disco disminuye con la distancia desde la estrella recién nacida, que define un "límite de la nieve" más allá del cual el agua se congela. El límite de la nieve marca, en el Sistema Solar, la frontera entre los planetas interiores rocosos y los gigantes gaseosos externos.

Los granos, al estar tan compactados, colisionan y crecen. Algunos sobrepasan el límite de la nieve y continúan su migración hacia el interior del disco, pero en el proceso se revisten con aguanieve y moléculas complejas, lo que los hacen más pegajosos. Algunas regiones tienen tanta densidad de granos que la atracción gravitacional colectiva de los granos también acelera su crecimiento.

De esta manera los granos de polvo se apiñan en cuerpos del tamaño de un kilómetro llamados planetesimales. Hacia el final de la etapa de formación planetaria, los planetesimales han barrido casi todo el polvo original. Los planetesimales son difíciles de ver directamente, pero los astrónomos pueden inferir su presencia a partir de los escombros de sus colisiones [ver The Hidden Members of Planetary Systems, por David Ardila; Scientific American, abril de 2004].

Punto final: Enjambres de bloques de construcción de un kilómetro conocidos como planetesimales.


3. Germinan los embriones planetarios
Tiempo: De 1 a 10 millones de años.

El paisaje salpicado de cráteres de Mercurio, la Luna y los asteroides no deja lugar a dudas de que los sistemas planetarios en nacimiento son galerías de tiro. Las colisiones entre planetesimales o bien los acrecientan o bien los desintegran. Un balance entre coagulación y fragmentación conduce a una distribución de tamaños en el cual los cuerpos pequeños dan cuenta de la mayor parte del área de superficie del sistema emergente y los cuerpos grandes dan cuenta de la mayor parte de su masa. Las órbitas pueden ser inicialmente elípticas, pero con el transcurso del tiempo la fricción del gas y las colisiones tienden a hacer circulares a las trayectorias alrededor de la estrella.

Al principio el crecimiento de un cuerpo está auto-reforzado. Cuanto más grande llega a ser un planetesimal, más fuerte es la gravedad que ejerce y más rápido barre a sus socios menos masivos. Sin embargo, cuando alcanzan una masa comparable a la de la Luna, los cuerpos ejercen una gravedad tan fuerte que remueven toda la materia sólida circundante y la desvían antes de que puedan colisionar contra ella. De esta manera, limitan su propio crecimiento. Así surge una "oligarquía" —esto es, una población de embriones planetarios de similar masa que compiten entre sí por los planetesimales residuales—.

En la imagen (clic para ampliar): El surgimiento de los oligarcas. Miles de millones de planetesimales del tamaño de un kilómetro, formados durante la segunda etapa, se aglomeran en cuerpos con un tamaño que va de la Luna a la Tierra y conocidos como embriones. Los embriones, relativamente pocos en número, dominan sus zonas orbitales respectivas: esta "oligarquía" de embriones compite por la materia remanente.

La zona de aprovisionamiento de cada embrión es una estrecha banda centrada en su órbita. Su tamaño se detiene una vez que adquiere la mayoría de los planetesimales residuales de la zona. El tamaño de la zona y la duración del aprovisionamiento crece, por simple geometría, con la distancia desde la estrella. A una distancia de 1 unidad astronómica (UA), los embriones se estancan alrededor de 0,1 masas de la Tierra dentro de los 100 mil años. Casi a las 5 UA alcanzan cuatro masas de la Tierra en unos pocos millones de años. Los embriones pueden crecer más allá de este tamaño cerca del límite de la nieve o en el borde de los huecos del disco, donde los planetesimales también tienden a acumularse.

El crecimiento oligárquico llena el sistema con un exceso de aspirantes a planetas, de los cuales sólo algunos lo lograran. Los planetas del Sistema Solar parecen estar muy separados, pero están tan cerca como es posible. La inserción de otro planeta de la masa de la Tierra en el espacio actual entre los planetas terrestres terminaría por desestabilizar a todos. Lo mismo vale para otros sistemas conocidos. Si alguien encuentra una taza de café totalmente llena, podría razonablemente concluir que quien la llenó también derramó algo de café: parece improbable que alguien pueda llenar una taza hasta el borde sin derramar una gota. De manera similar, los sistemas planetarios probablemente comienzan con más materia que con la que terminan. Los astrónomos han observado planetas flotando libremente en cúmulos estelares jóvenes.

Punto final: "oligarquía" de embriones planetarios de la masa de la Luna a la de la Tierra.

Volver a la primer parte o continuar a la tercera parte.

escrito por el sofista @ martes, mayo 13, 2008