El peligroso Sistema Solar, los exoplanetas y la formación

El peligroso Sistema Solar, los exoplanetas y la formación planetaria | Artículo | CCCB LAB
23-09-14 16:15
CASTELLANO
23-09-2014 | Sebastián Pérez
EL PELIGROSO SISTEMA SOLAR, LOS EXOPLANETAS Y LA
FORMACIÓN PLANETARIA
CIENCIA ABIERTA
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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.
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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.
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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,
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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.
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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
[1]
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, 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.
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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.
Tags: astronomía, cosmos, espacio, exoplanetes, planetes
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