Cómo Júpiter Llegó a Ser Grande

Cómo Júpiter Llegó a Ser Grande

Por :Heber Rizzo

¿Cómo se formó el planeta más grande de nuestro sistema solar?

Por Leslie Mullen



La visión tradicional es que Júpiter formó inicialmente un núcleo rocoso, de varias veces el tamaño de la Tierra, el cual atrajo después una envoltura de gas aún más grande. Este proceso es conocido como “acreción”.

Pero hay problemas con este modelo. El mayor de ellos es que si un enorme planeta gaseoso realmente se formó por una acreción gradual de material, debería haber tomado un tiempo muy largo para hacerlo. Las estimaciones actuales van desde diez millones hasta mil millones de años. Sin embargo, observaciones recientes de estrellas distantes sugieren que sus planetas tienen como máximo unos pocos millones de años, y quizás menos, para juntar todo el polvo y el gas que puedan antes de que desaparezca el disco protoplanetario que los alimenta.

Alan Boss, un científico planetario del Instituto Carnegie de Washington y miembro del Instituto de Astrobiología de la NASA, ha desarrollado una teoría diferente, basada en modelos computarizados, acerca de cómo los planetas como Júpiter pueden haberse formado. Él cree que los gigantes gaseosos pueden formarse como resultado de la inestabilidad del disco protoplanetario de su estrella.

“En el mecanismo de inestabilidad del disco, la acción ocurre en un disco de gas y polvo que orbita alrededor de una estrella,” dice Boss. “Se forman acumulaciones que, contrayéndose y creciendo en densidad, llegan a ser protoplanetas gigantes gaseosos.”

Estas acumulaciones de gas más denso se forman rápidamente, en un período de pocos miles, y quizás hasta de pocos cientos, de años. Una formación tan rápida permitiría el desarrollo de los planetas antes de que desapareciera el disco protoplanetario.

“Creo que este modelo de inestabilidad del disco es una idea intrigante,” dice Hal Levison, científico principal en el Instituto de Investigación del Suroeste. “Este modelo resuelve un montón de problemas que hemos tenido con la formación de Júpiter, pero estamos muy lejos de saber si es verdadero o no. Por ejemplo, no sabemos si el grumo permanece allí, o si eventualmente se destruye. Me parece que la tecnología todavía resulta insuficiente para contestar si la inestabilidad del disco podría llevar a la formación de un planeta como Júpiter.”

Pero los descubrimientos de planetas en otros sistemas solares, arguye Boss, nos han mostrado fallas escondidas en el modelo de acreción del núcleo.

“Ha sido solamente en fecha muy cercana que los severos problemas con la acreción del núcleo se han vuelto obvios,” dice Boss, “y sólo recientemente hemos sabido de planetas extrasolares, muchos de los cuales son mucho más masivos que Júpiter y por lo tanto mucho más difíciles de formar por la acreción del núcleo.”

La Evolución de las Estrellas y de los Planetas

En general, los científicos creen ahora que el disco protoplanetario de gas y polvo dura solamente unos pocos millones de años, porque es lo que han observado en sus estudios sobre estrellas distantes recién nacidas.

“Podemos medir muy bien la edad de una estrella, así que la determinación de la edad de un disco es un hecho firme,” dice Levison. “La mayor parte de la gente dice: “en el plazo de diez millones de años, los gases desaparecen”. No sabemos de discos de larga vida.”

Pero los científicos no pueden decir con certeza que todos los discos protoplanetarios son de corta vida. Podría ser que el disco de nuestro propio sol durara mucho más que el promedio, y que por lo tanto los planetas de nuestro sistema solar tuvieran un lapso mucho más largo en el cual formarse.
“Los modelos sugieren que la acreción del núcleo parece necesitar varios millones de años para formar a Júpiter,” dice Boss, “ pero sin embargo la mayoría de los discos protoplanetarios parecen no existir por tanto tiempo. Quizás nuestra nebulosa solar fuese, por contrario, de una vida particularmente larga, en cuyo caso los sistemas solares como el nuestro pueden ser raros.”
Hasta hace poco, los científicos creían que nuestro sistema solar era típico. “Los astrónomos han crecido desde niños con el principio cosmológico de que nuestro sistema solar no es un lugar especial del universo,” dice Levison. “Ahora, estamos encontrando que quizás eso no sea verdad, y que tal vez debamos abandonar ese principio. Podría ser que solamente una de cada mil estrellas sea capaz de sustentar sistemas solares como el nuestro, en los cuales sean posibles los planetas tipo Tierra capaces a su vez de sustentar vida compleja.”

Sin embargo, y ya que la tecnología actual no es lo suficientemente sensible como para detectar sistemas solares como el nuestro alrededor de otras estrellas, no hay manera de determinar en el presente si nuestro sistema es común o raro.

Si los planetas se forman únicamente a través de la acreción, entonces el disco protoplanetario de nuestro sistema solar debe haber tenido una vida prolongada. Y si los discos de larga vida son raros, los planetas en general deberán ser raros. Si, por otra parte, los planetas se pueden formar por otros medios más rápidos, como el de la inestabilidad del disco, entonces los planetas podrían ser más comunes.

Hasta ahora, se han descubierto más de 60 planetas extrasolares. Estos planetas son grandes y gaseosos, muchos de los cuales (a causa de las limitaciones de nuestras técnicas actuales de observación) son varias veces más grandes que Júpiter. Boss ve el descubrimiento de estos planetas tipo súper-Júpiter como una fuerte evidencia de que la inestabilidad del disco se encuentra en acción.

“La tasa de descubrimiento de planetas gigantes gaseosos extrasolares parecen mostrar que los de esta clase son comunes,” dice Boss. “Eso significa que debe haber un mecanismo eficiente para su formación. Esto parece apuntar a la inestabilidad del disco. Una alta frecuencia de planetas extrasolares orbitando estrellas cercanas podría implicar que la inestabilidad del disco debe ocurrir.”

“Pero,” opina cautamente Levison, “solamente hemos visto planetas alrededor del cinco por ciento de las estrellas que estudiamos. Todavía no sabemos qué es lo típico.”

Combinando las Teorías

¿Podrían formarse los planetas a través de una combinación de acreción y de inestabilidad del disco?. Boss piensa que sí. Dice que los planetesimales (pequeños trozos de material rocoso o metálico) podrían probablemente estarse formando al mismo tiempo o incluso antes de que ocurriera una inestabilidad en el disco protoplanetario. Por lo tanto, alguna forma de evolución planetaria conjunta habría sido inevitable.

“En algunos casos, los planetesimales serían lanzados alrededor o incluso afuera del sistema solar,” explica. Pero en otros, “serían tragados por un proto-Júpiter” que se hubiera formado por la inestabilidad del disco.

Boss dice que los planetesimales podrían explicar la abundancia de metales pesados detectados en la gruesa capa exterior de hidrógeno molecular y helio de Júpiter. Boss piensa que para que un planeta compuesto solamente de gases densos y de un núcleo rocoso adquiriese esos metales en su capa exterior, alguna clase de acreción planetesimal debe haber ocurrido junto con la inestabilidad del disco. Así como los asteroides y cometas bombardean ocasionalmente a Júpiter hoy en día, los planetesimales habrían sido atraídos gravitatoriamente a la gaseosa bola del proto-Júpiter del pasado.

“En ese sentido,” dice Boss, “una teoría de compromiso que combine la inestabilidad del disco y la acreción planetesimal sería no solamente atractiva, sino que podría ser absolutamente necesaria,”
Pero Levison no ve cómo un planeta podría formarse a través de los dos mecanismos al mismo tiempo. “Las escalas temporales para la inestabilidad del disco son muy, muy cortas,” dice. “Tan cortas, de hecho, que los planetesimales no habrían tenido siquiera oportunidad de formarse. Así que no creo que un planeta pudiera formarse a través de la acción conjunta de la acreción y de la inestabilidad del disco.”

Pero Boss no está de acuerdo, y dice que las inestabilidades del disco podrían no ocurrir hasta que algunos planetesimales ya se hubiesen formado.

Ambos científicos, sin embargo, concuerdan en que se podría tener a los dos procesos ocurriendo al mismo tiempo en el mismo disco protoplanetario, con algunos planetas formándose por la inestabilidad del disco y otros por acreción. De hecho, si la inestabilidad del disco fuera responsable de la formación de Júpiter, nuestro propio sistema solar sería un híbrido de esa clase.

El Núcleo del Problema

Una manera de resolver la cuestión de la formación de un planeta gigante podría ser la determinación de si el planeta tiene o no un núcleo. Los planetas terrestres, como la Tierra, crecen por la acreción de planetesimales, que chocan entre ellos y acumulan a través del tiempo un tamaño suficiente como para desarrollar gravedad. Toda esta actividad de bombardeo resulta en una elevación de la temperatura, haciendo que los protoplanetas se fundan y hagan que los elementos más pesados se hundan hacia el centro. Para la Tierra primitiva, el elemento más pesado era el hierro, así que nuestro planeta tiene un núcleo de ese metal.

Marte y Venus presentan también núcleos metálicos. Los científicos creen que Saturno, Urano y Neptuno también tienen algún tipo de núcleo. El de Júpiter, sin embargo, se mantiene como una cuestión abierta.

“Hacia mediados de la década de 1980, la creencia era que los núcleos de Júpiter y Saturno eran ambos grandes, alrededor de diez a treinta masas terrestres,” dice Boss. “Sin embargo, los nuevos datos de la nave Galileo, junto con modelos teóricos más refinados, indican ahora que la masa del núcleo de Júpiter pueda, más probablemente, de alrededor de seis masas terrestres, e incluso podría ser de cero.”

Levison está de acuerdo con este punto: “Siempre pensamos que Júpiter debía tener un núcleo, pero con la nueva información dada por las sondas Galileo pensamos ahora que es posible que Júpiter carezca de núcleo.”

Y si Júpiter no tiene un núcleo, entonces debe de haberse formado a través de la inestabilidad del disco. Más todavía, Boss dice que aún si se probara que Júpiter tiene un núcleo, el planeta podría haberse formado por ese proceso. Una cantidad suficiente de polvo podría haberse reunido y cementado en el denso gas para formar un núcleo muchas veces más grande que el de la Tierra.
Conocer el tamaño del núcleo de Júpiter podría proporcionar una clave importante para desenmarañar el proceso por el cual se formó el planeta. “Un núcleo con una masa equivalente a seis Tierras podría haberse formado por la sedimentación de los granos de polvo que se pueden esperar en un protoplaneta gigantes con la masa de Júpiter,” dice Boss.

Para que Júpiter se haya formado por acreción, dicen algunos científicos, su núcleo tendría que tener al menos diez masas terrestres. Si fuera menos masivo, no podría haber tenido la suficiente atracción gravitatoria como para recolectar la cantidad de gas que hoy vemos en el planeta.

¿Qué Sigue a Continuación?

Alan Boss cree que la Misión de Interferometría de la NASA (SIM = Space Interferometry Mission), programada para ser lanzada en abril de 2009. ayudará a resolver la controversia sobre cómo los planetas como Júpiter se forman. SIM incluirá una prueba para tratar de determinar el marco temporal en el cual los planetas gaseosos de ese tipo se forman alrededor de estrellas jóvenes.

“SIM será capaz de detectar el bamboleo causado por compañeros de masa tipo Júpiter a las estrellas jóvenes cercanas, así que podrá poner punto final al asunto,” dice Boss.

Levison piensa que la aplicación de nuevos “hidrocódigos” podría también ayudar a contestar la pregunta. Los hidrocódigos son enormes programas de computación que han sido utilizados durante muchos años por Boss y otros científicos para simular procesos astrofísicos. Utilizando las matemáticas, estos modelos pueden ayudarlos a computar eventos altamente dinámicos como una función de tiempo y posición. Los nuevos hidrocódigos pueden ajustar su resolución, permitiendo a los científicos concentrarse en un área de interés y observarla con mejor detalle.

“Estos nuevos hidrocódigos pueden ser utilizados para hacer un modelo de la nebulosa estelar en un sistema cuadriculado,” dice Levison. “Si un área del disco gaseoso comienza a colapsar (si la densidad comienza a subir), entonces se podrá observar esa área desde más cerca y ver qué es lo que está sucediendo. Sin embargo, falta algo de la física necesaria. Aún no entendemos como funcionan algunas cosas, como ser la transferencia radiativa (la forma en que la luz se mueve a través de estas cosas). Pero por lo menos estos nuevos hidrocódigos pueden darnos una mejor comprensión de si las inestabilidades del disco pueden realmente conducir o no a la formación de Júpiter.”

Mientras tanto, Boss espera que otros científicos continúen el estudio y la prueba de las posibilidades tanto del modelo de acreción como del de inestabilidad de disco.

“La acreción del núcleo es todavía la teoría popular para explicar la formación de Júpiter y otros planetas en nuestro sistema solar,” dice Boss. “La gente ha estado pensando en términos de acreción de núcleo por las dos últimas décadas, y lleva un tiempo para que se acostumbren a una nueva idea, incluso para los científicos. Pero creo que con tiempo y con el trabajo continuo sobre ambos mecanismos (acreción e inestabilidad de disco), la mayoría de los científicos podrá ponerse de acuerdo sobre el método más probable para la formación de los planetas gaseosos gigantes.”