Científicos describen un nuevo modelo para la formación del cinturón de asteroides

Astrónomos publican un artículo en The Astrophysical Journal donde sugieren que los cuerpos situados entre Marte y Júpiter constituyen una evidencia de la fase caótica de la infancia del Sistema Solar

Por Peter Moon  |  Agência FAPESP – En 1801, mientras buscaba un planeta que, según creía, tenía su órbita entre las de Marte y Júpiter, el sacerdote y astrónomo italiano Giuseppe Piazzi (1746-1826) terminó descubriendo Ceres, un planeta enano de casi mil kilómetros de diámetro.

Ceres es el mayor objeto perteneciente al llamado cinturón de asteroides, pero está lejos de ser el único. Se estima que dicho cinturón está formado por más de un millón de éstos. Hace más de 200 años que los astrónomos le dan vueltas y vueltas al tema con miras a descubrir cómo fue que se formó el cinturón de asteroides, y por qué no existe ningún planeta entre Marte y Júpiter.

Pese a la enorme cantidad de datos reunida en durante dos siglos de investigaciones sobre dicho cinturón –inclusive merced al envío de diversas sondas a esa zona del espacio–, aún no se ha arribado a un consenso acerca de cómo se habría formado el mismo.

Y nuevas hipótesis se siguen formulando, tal como es el caso del modelo denominado “Caótico”, recientemente descrito en The Astrophysical Journal. Sus autores son los astrónomos brasileños André Izidoro y Othon Winter, del Grupo de Dinámica Orbital y Planetología de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en su campus de la localidad de Guaratinguetá (estado de São Paulo), en colaboración con pares de Francia y Estados Unidos. Este trabajo contó con el apoyo de la FAPESP en las modalidades Proyecto Temático y Apoyo a Jóvenes Investigadores.

Los planetas del Sistema Solar se dividen en dos categorías: los rocosos o terrestres (Mercurio, Venus, la Tierra y Marte), que se ubican en el Sistema Solar interno, y los gigantes gaseosos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) del Sistema Solar externo.

Entre ambos grupos se encuentra el cinturón principal de asteroides. Sus centenas de miles de objetos se distribuyen por una amplia franja orbital que se extiende aproximadamente entre 1,8 y 3,2 unidades astronómicas del Sol (una unidad astronómica equivale a la distancia media entre el Sol y la Tierra).

“Los gigantes gaseosos, tales como Júpiter y Saturno, fueron los primeros que se formaron, cuando el Sistema Solar tenía a lo sumo 10 millones de años”, dijo Izidoro, cuya investigación, intitulada “La formación y la dinámica planetaria: del Sistema Solar a los exoplanetas”, cuenta con el apoyo de la FAPESP en el marco del Programa Jóvenes Investigadores en Centros Emergentes.

Según el astrónomo, los gigantes gaseosos se formaron a partir de la acreción, es decir, la acumulación del gas de la nebulosa solar que envolvía al protosistema solar. Ese mismo gas es parte del que sirvió de materia prima para la formación y la ignición del Sol.

La Tierra se formó cuando ya no había más gas a disposición, pues toda la materia de la nebulosa había sido devorada por el Sol o por los gigantes gaseosos, y lo que escapó se disipó o fue expelido hacia lo lejos por la intensa radiación del Sol recién nacido. “Se estima que la Tierra se formó cuando el Sol tenía entre 30 y 150 millones de años. El cinturón de asteroides se formó antes que la Tierra, pero los asteroides sólo fueron arribando en su distribución actual en el transcurso de la historia del Sistema Solar”, dijo Izidoro.

“Para explicar el modelo Caótico primero hay que referirse al principal modelo actual de formación del Sistema Solar, el Grand Tack”, dijo Izidoro. El nombre de esta teoría se inspira en una maniobra náutica llamada “bordada” o “virada por avante” (o tacking, en inglés), que consiste en cambiar la dirección de un barco colocando la proa contra el viento.

De acuerdo con el modelo Grand Tack, durante la formación de Júpiter, el planeta habría migrado desde su órbita original situada a 3,5 unidades astronómicas del Sol hasta alrededor de 1,5. Sin embargo, así como migró hacia las cercanías del Sol, inmediatamente después el planeta Júpiter recorrió el camino inverso. Esto sucedió gracias a Saturno, el segundo planeta del Sistema Solar en tamaño.

A medida que Saturno iba incorporando gas y creciendo, también iba migrando en dirección hacia el Sol. Júpiter y Saturno habrían ejecutado una “virada por avante” en el momento en que Saturno encontró a Júpiter en su camino de acercamiento al Sol.

Ese movimiento de ida y vuelta de Júpiter y Saturno, de acuerdo con el Grand Tack, tuvo dos consecuencias: una con respecto Marte y otra con relación a la formación del cinturón de asteroides.

En el caso marciano, Júpiter se convirtió en un “limpiador” planetario (y Saturno también) y removió la mayor parte de la materia prima disponible desde la órbita de Marte hasta el cinturón de asteroides. Por eso, al formarse posteriormente, Marte acumularía material suficiente como para llegar tan sólo a una décima parte de la masa de la Tierra.

En el caso del cinturón de asteroides, la influencia gravitacional de Júpiter generó consecuencias más drásticas. Solamente una pequeña fracción de la materia original sobrevivió en la zona del cinturón de asteroides, una cantidad insuficiente como para formar un planeta, pero coincidente con lo que se observa en la actualidad. Asimismo, la distribución de los asteroides en este modelo es bastante similar a la de los asteroides reales.

Simulación computacional

Al observar las nebulosas de protosistemas solares en la Vía Láctea, los astrónomos verifican las condiciones a través de las cuales se forman planetas gigantes.

“El Grand Tack es sumamente aceptado, es extremadamente sólido y encuentra respaldo en observaciones astronómicas. Pero esto no quiere decir que esté en lo cierto, ni tampoco que el cinturón de asteroides se haya formado de la manera que en él se prevé”, dijo Izidoro.

Y Winter coincide. “El Grand Tack no es el único modelo tendiente a explicar la formación del cinturón de asteroides. Nuestro modelo Caótico también es factible”, dijo el profesor titular del Departamento de Matemática de la Facultad de Ingeniería de la Unesp, coordinador del Proyecto Temático intitulado “La dinámica orbital de pequeños cuerpos”.

La diferencia entre ambos modelos parte de una variable básica: la cantidad de materia prima disponible en la región de Marte y del cinturón de asteroides. El Grand Tack parte de la premisa de que había mucha materia en esas regiones y que esa materia fue removida por Júpiter y Saturno durante una dramática etapa de migración.

En tanto, en el modelo Caótico desarrollado por Izidoro y Winter se parte de la premisa de que casi no había materia en esas zonas. Dicha hipótesis prescinde de una migración tan intensa de Júpiter en dirección hacia el Sol, pues se asume que de entrada casi no había materia allí.

Los estudios astronómicos se llevan adelante partiendo tanto de observaciones astronómicas como de simulaciones computacionales. Estas últimas se realizan al compilar y operar programas que simulan el comportamiento de los cuerpos celestes que se pretende estudiar de acuerdo con las leyes físicas y las variables que se pretende poner a prueba.

“En los estudios astronómicos se realizan decenas o incluso centenas de simulaciones distintas. “Sin embargo, todas suministraron resultados insatisfactorios, que no reproducían un Sistema Solar tal cual lo observamos. Todas menos una.”

El único resultado positivo del modelo Caótico, aquel que coincide con el Sistema Solar que observamos, se obtuvo por casualidad. Sucedió cuando, en las variables de la simulación, las órbitas de Júpiter y Saturno fueron alteradas ligeramente, pero manteniéndolas en una misma resonancia.

Dos planetas se encuentran en resonancia cuando sus órbitas están sincronizadas a razón de números enteros, tales como 1, 2, 3, 4, etc. En este caso específico, la configuración era tal que, por cada órbita de Saturno, Júpiter describía prácticamente –pero no exactamente– dos vueltas completas alrededor del Sol. La simulación preveía una pequeña vibración en las órbitas de Júpiter y Saturno.

“Esta vibración era mínima, incapaz de sacar a los planetas del estado de resonancia, pero era suficiente como para alterar el equilibrio del sistema. Fue entonces cuando emergió el caos que le da el nombre al modelo”, dijo Winter.

En lugar de que la simulación calculase las órbitas de Júpiter y de Saturno como elipses perfectas, los planetas describirían órbitas mínimamente distintas unas respecto a otras, tanto en la forma de la elipse como en su oscilación con respecto al plano del Sistema Solar. Esta condición mínima fue suficiente como para alterar todo el comportamiento de los asteroides del cinturón principal.

“La diferencia entre el resultado de esta simulación en la cual Júpiter y Saturno tenían órbitas caóticas y aquéllas en donde no las tenían fue realmente impresionante”, dijo Izidoro.

“La simulación resultó en un Sistema Solar interior con Marte pequeño, con una masa equivalente a la que tiene efectivamente, y un cinturón de asteroides con una distribución de cuerpos muy similar a la observable. En nuestro modelo, la distribución de los asteroides alcanzó su actual estatus en algún momento de la infancia del Sistema Solar, es decir, durante sus primeros 700 millones de años”, dijo Izidoro.

“En el modelo Caótico, Júpiter y Saturno probablemente migraron un poco en dirección hacia el Sol, pero en una intensidad mucho menor a la del modelo Grand Tack. En nuestra concepción, Júpiter y Saturno nunca adentraron 5,2 unidades astronómicas”, dijo.

El nuevo modelo que desarrollaron los brasileños y que describe la formación del cinturón de asteroides es plausible y reproduce un Sistema Solar tal como lo conocemos. Pero, ¿esa hipótesis constituiría la respuesta definitiva a este interrogante?

“Aún no podemos afirmarlo. Ambos modelos a priori son válidos, tanto el Grand Tack como el Caótico. Pero también cualquiera de ellos puede terminar desechado en cualquier momento en caso de que fallen a la hora de reproducir resultados coincidentes con la realidad que observamos.

Nuestro modelo tiene ciertas ventajas con relación al Grand Tack, que es un modelo muy lindo, pero también muy complejo. Para funcionar, exige que el disco del Sistema Solar satisfaga algunas condiciones peculiares. En tanto, nuestro modelo Caótico se rige por situaciones más comunes, que han sido observadas, tal como el hecho de que los planetas entran en resonancia”, dijo Winter.

“El modelo Caótico es más sencillo. Y en ciencia, generalmente las respuestas más sencillas son aquéllas que más a menudo llevan a la solución de un problema”, dijo.

Suscriptores de The Astrophysical Journal pueden leer el artículo intitulado The asteroid belt as a relic from a chaotic early Solar System (doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/833/1/40), de André Izidoro, Sean N. Raymond, Arnaud Pierens, Alessandro Morbidelli, Othon C. Winter y David Nesvorny, en el siguiente enlace: iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/833/1/40.