La inclinación de Urano esencialmente tiene al planeta orbitando al Sol sobre su costado, el eje de su giro casi apunta al Sol.
(Imagen: © NASA y Erich Karkoschka, U. de Arizona)
Aunque los planetas rodean a las estrellas en la galaxia, su forma sigue siendo un tema de debate. A pesar de la riqueza de mundos en nuestro propio sistema solar, los científicos aún no están seguros de cómo se construyen los planetas. Actualmente, dos teorías están discutiendo por el papel de campeón.
La primera y más ampliamente aceptada, la acumulación de núcleos, funciona bien con la formación de los planetas terrestres, pero tiene problemas con planetas gigantes como Urano. El segundo, el método de inestabilidad del disco, puede explicar la creación de planetas gigantes.
"Lo que separa a los gigantes de hielo de los gigantes de gas es su historial de formación: durante el crecimiento del núcleo, el primero nunca excedió [la masa crítica] en un disco de gas lleno", escribieron los investigadores Renata Frelikh y Ruth Murray-Clay en un artículo de investigación.
El modelo de acreción central
Hace aproximadamente 4.600 millones de años, el sistema solar era una nube de polvo y gas conocida como nebulosa solar. La gravedad colapsó el material sobre sí mismo cuando comenzó a girar, formando el sol en el centro de la nebulosa.
Con la salida del sol, el material restante comenzó a agruparse. Pequeñas partículas se unieron, unidas por la fuerza de la gravedad, en partículas más grandes. El viento solar barrió elementos más ligeros, como hidrógeno y helio, de las regiones más cercanas, dejando solo materiales pesados y rocosos para crear mundos terrestres. Pero más lejos, los vientos solares tuvieron menos impacto en elementos más ligeros, lo que les permitió unirse en gigantes gaseosos como Urano. De esta manera, se crearon asteroides, cometas, planetas y lunas.
A diferencia de la mayoría de los gigantes gaseosos, Urano tiene un núcleo rocoso en lugar de gaseoso. El núcleo probablemente se formó primero, y luego recogió el hidrógeno, el helio y el metano que forman la atmósfera del planeta. El calor del núcleo impulsa la temperatura y el clima de Urano, dominando el calor que proviene del sol distante, que está a casi 2 mil millones de millas de distancia.
Algunas observaciones de exoplanetas parecen confirmar la acumulación del núcleo como el proceso de formación dominante. Las estrellas con más "metales", un término que los astrónomos usan para elementos distintos al hidrógeno y el helio, en sus núcleos tienen más planetas gigantes que sus primos pobres en metales. Según la NASA, la acumulación de núcleos sugiere que los mundos pequeños y rocosos deberían ser más comunes que los gigantes gaseosos más masivos.
El descubrimiento en 2005 de un planeta gigante con un núcleo masivo en órbita alrededor de la estrella HD 149026 es un ejemplo de un exoplaneta que ayudó a fortalecer el caso de la acumulación de núcleos.
"Esta es una confirmación de la teoría de la acumulación de núcleos para la formación de planetas y evidencia de que los planetas de este tipo deberían existir en abundancia", dijo Greg Henry en un comunicado de prensa. Henry, un astrónomo de la Universidad Estatal de Tennessee, Nashville, detectó el oscurecimiento de la estrella.
En 2017, la Agencia Espacial Europea planea lanzar el característico Satélite ExOPlanet (CHEOPS), que estudiará exoplanetas que varían en tamaños desde super-Tierras hasta Neptuno. Estudiar estos mundos distantes puede ayudar a determinar cómo se formaron los planetas del sistema solar.
"En el escenario de acumulación de núcleos, el núcleo de un planeta debe alcanzar una masa crítica antes de que pueda acumular gas de manera desbocada", dijo el equipo de CHEOPS. "Esta masa crítica depende de muchas variables físicas, entre las cuales la más importante es la tasa de acreción planetesimal".
Al estudiar cómo los planetas en crecimiento acumulan material, CHEOPS proporcionará información sobre cómo crecen los mundos.
El modelo de inestabilidad del disco.
Pero la necesidad de una formación rápida para los planetas gaseosos gigantes es uno de los problemas de la acumulación de núcleos. Según los modelos, el proceso lleva varios millones de años, más tiempo que los gases ligeros disponibles en el sistema solar temprano. Al mismo tiempo, el modelo de acreción central se enfrenta a un problema de migración, ya que es probable que los planetas bebés entren en espiral hacia el sol en un corto período de tiempo.
"Los planetas gigantes se forman muy rápido, en unos pocos millones de años", dijo a Space.com Kevin Walsh, investigador del Southwest Research Institute en Boulder, Colorado. "Eso crea un límite de tiempo porque el disco de gas alrededor del sol solo dura de 4 a 5 millones de años".
Según una teoría relativamente nueva, la inestabilidad del disco, los grupos de polvo y gas se unen temprano en la vida del sistema solar. Con el tiempo, estos grupos se compactan lentamente en un planeta gigante. Estos planetas pueden formarse más rápido que sus rivales de acreción central, a veces en tan solo mil años, lo que les permite atrapar los gases más ligeros que se desvanecen rápidamente. También alcanzan rápidamente una masa estabilizadora de la órbita que les impide marchar hacia el sol.
A medida que los científicos continúen estudiando planetas dentro del sistema solar, así como alrededor de otras estrellas, comprenderán mejor cómo se formaron Urano y sus hermanos.
Acreción de guijarros
El mayor desafío para la acumulación de núcleos es el tiempo: construir gigantes de gas masivos lo suficientemente rápido como para agarrar los componentes más ligeros de su atmósfera. Investigaciones recientes sobre cómo los objetos más pequeños, del tamaño de un guijarro, se fusionaron para construir planetas gigantes hasta 1000 veces más rápido que los estudios anteriores.
"Este es el primer modelo que conocemos que comienza con una estructura bastante simple para la nebulosa solar a partir de la cual se forman los planetas, y termina con el sistema de planeta gigante que vemos", dijo el astrónomo Harold Levison, autor principal del estudio. en el Southwest Research Institute (SwRI) en Colorado, le dijo a Space.com en 2015.
En 2012, los investigadores Michiel Lambrechts y Anders Johansen de la Universidad de Lund en Suecia propusieron que los guijarros pequeños, una vez descartados, eran la clave para construir rápidamente planetas gigantes.
"Mostraron que las piedras sobrantes de este proceso de formación, que anteriormente se consideraba sin importancia, en realidad podrían ser una gran solución para el problema de formación de planetas", dijo Levison.
Levison y su equipo se basaron en esa investigación para modelar con mayor precisión cómo las pequeñas piedras podrían formar planetas vistos en la galaxia hoy. Mientras que las simulaciones previas, tanto los objetos grandes como los medianos consumieron a sus primos del tamaño de un guijarro a un ritmo relativamente constante, las simulaciones de Levison sugieren que los objetos más grandes actuaron más como matones, arrebatando guijarros de las masas medianas para crecer a un ritmo mucho más rápido. Velocidad.
"Los objetos más grandes ahora tienden a dispersar a los más pequeños más que los más pequeños, así que los más pequeños terminan dispersándose del disco de guijarros", dijo a Space.com la coautora del estudio Katherine Kretke, también de SwRI. . "El tipo más grande básicamente intimida al más pequeño para que puedan comer todas las piedras por sí mismos, y puedan seguir creciendo para formar los núcleos de los planetas gigantes".
La acumulación de guijarros es más probable que funcione para los planetas gigantes que para los mundos terrestres. Según Sean Raymond, de la Universidad de Burdeos en Francia, eso se debe a que los "guijarros" son un poco más grandes y más fáciles de agarrar más allá de la línea de nieve, la línea imaginaria donde el gas está lo suficientemente frío como para convertirse en hielo.
"Para los guijarros, definitivamente es un poco mejor pasar la línea de nieve", dijo Raymond a Space.com.
Si bien la acumulación de guijarros funciona bien para los gigantes gaseosos, existen algunos desafíos para los gigantes de hielo. Esto se debe a que las partículas de tamaño milímetro a centímetro se acumulan de manera extremadamente eficiente.
"Se acumulan tan rápido que es difícil que existan núcleos gigantes de hielo en aproximadamente sus masas de núcleo actuales durante una fracción significativa de la vida útil del disco mientras se acumula una envoltura de gas", escribieron Frelikh y Murray-Clay.
"Para evitar fugitivos, por lo tanto, deben completar su crecimiento en un momento específico, cuando el disco de gas está parcialmente, pero no completamente, agotado".
La pareja propuso que la mayoría de la acumulación de gas en los núcleos de Urano y Neptuno coincidió con su movimiento lejos del sol. Pero, ¿qué podría hacerlos cambiar su hogar en el sistema solar?
Un bonito modelo
Originalmente, los científicos pensaban que los planetas se formaron en la misma parte del sistema solar en el que viven hoy. El descubrimiento de exoplanetas sacudió las cosas, revelando que al menos algunos de los objetos más masivos podrían migrar.
En 2005, un trío de artículos publicados en la revista Nature propuso que Urano y los otros planetas gigantes estuvieran atados en órbitas casi circulares mucho más compactas de lo que son hoy. Un gran disco de rocas y helados los rodeaba, extendiéndose a unas 35 veces la distancia de la Tierra al Sol, justo más allá de la órbita actual de Neptuno. Llamaron a esto el modelo de Niza, después de la ciudad en Francia donde lo discutieron por primera vez. (Eso se pronuncia Neese).
A medida que los planetas interactuaban con los cuerpos más pequeños, dispersaron la mayoría de ellos hacia el sol. El proceso hizo que intercambiaran energía con los objetos, enviando a Saturno, Neptuno y Urano más lejos en el sistema solar. Finalmente, los pequeños objetos llegaron a Júpiter, que los envió volando al borde del sistema solar o completamente fuera de él.
El movimiento entre Júpiter y Saturno llevó a Urano y Neptuno a órbitas aún más excéntricas, enviando a la pareja a través del disco de hielos restante. Parte del material fue arrojado hacia adentro, donde se estrelló contra los planetas terrestres durante el bombardeo pesado tardío. Otro material fue arrojado hacia afuera, creando el Cinturón de Kuiper.
Mientras se movían lentamente hacia afuera, Neptuno y Urano intercambiaron lugares. Finalmente, las interacciones con los restos restantes hicieron que la pareja se asentara en caminos más circulares a medida que alcanzaban su distancia actual del sol.
En el camino, es posible que uno o incluso otros dos planetas gigantes hayan sido expulsados del sistema. El astrónomo David Nesvorny, del Southwest Research Institute en Colorado, ha modelado el sistema solar temprano en busca de pistas que pudieran conducir a comprender su historia temprana.
"En los primeros días, el sistema solar era muy diferente, con muchos más planetas, tal vez tan masivos como Neptuno, formándose y dispersándose en diferentes lugares", dijo Nesvorny a Space.com.
Una juventud peligrosa
El sistema solar temprano fue una época de colisiones violentas, y Urano no estaba exento. Mientras que la superficie de la luna y Mercurio muestran evidencia de bombardeo por rocas y asteroides más pequeños, Urano aparentemente sufrió una colisión significativa con un protoplaneta del tamaño de la Tierra. Como resultado, Urano está inclinado de lado, con un polo apuntando hacia el sol durante la mitad del año.
Urano es el más grande de los gigantes de hielo, quizás en parte porque perdió parte de su masa durante el impacto.
