El Sistema Solar adquirió tempranamente su configuración actual

Un modelo desarrollado por científicos brasileños demostró que la fase caótica que ubicó a los objetos celestes en las órbitas que ocupan actualmente comenzó durante los primeros 100 millones de años tras la formación de los planetas gigantes

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La hipótesis de que el Sistema Solar se habría originado a partir de una gigantesca nube de gas y polvo se remonta a la segunda mitad del siglo XVIII. Fue postulada por el filósofo alemán Immanuel Kant y desarrollada por el matemático francés Pierre-Simon de Laplace. Dicha hipótesis constituye actualmente un consenso entre los astrónomos. Merced a la formidable masa de datos observacionales, a los aportes teóricos y a los recursos computacionales disponibles hoy en día, se han llevado adelante sucesivos desarrollos de la misma.

Pero este proceso no es lineal, ni está exento de controversias. Hasta hace poco, se creía que el Sistema Solar había adquirido las facciones actuales a partir de un período turbulento ocurrido alrededor de 700 millones de años después de su formación. No obstante, estudios recientes indican una estructuración mucho más temprana, que habría ocurrido en la franja de los primeros 100 millones de años y, con mayor probabilidad aún, entre los primeros 10 y 60 millones de años. 

Y un estudio al respecto apoyado por la FAPESP, que contó con la colaboración de tres científicos de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en su campus de la localidad de Guaratinguetá (Brasil), fue el tema de un artículo publicado en la revista Icarus, donde se aportan evidencias robustas a favor de la estructuración temprana. 

Participaron en este estudio Rafael Ribeiro de Sousa, el primer autor del artículo, André Izidoro Ferreira da Costa y Ernesto Vieira Neto, en carácter de supervisor.

“La gran cantidad de detalles actualmente conocidos mediante observaciones del Sistema Solar permite definir con precisión las trayectorias de los muchos cuerpos que orbitan alrededor del Sol. Y esta estructura orbital nos permite narrar la historia de la formación del sistema. A partir de la nube de gas y polvo que circundaba nuestra estrella hace alrededor de 4.600 millones de años, se formaron los planetas gigantes en órbitas más cercanas entre sí y también más cercanas al Sol. Esas órbitas eran también más coplanares y más circulares que las actuales. Y estaban vinculadas entre ellas en sistemas dinámicos resonantes. Estos sistemas estables son los resultados más probables de la dinámica gravitatoria de planetas en formación con disco de gas protoplanetario”, declaró Ribeiro a Agência FAPESP.

Y esta descripción fue detallada por Izidoro: “Los cuatro planetas gigantes –Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno– crecieron en el disco de gas y polvo en órbitas más compactas. Sus movimientos exhibían una fuerte sincronía debido a cadenas de resonancia. De este modo, mientras Júpiter completaba tres vueltas alrededor del Sol, Saturno culminaba dos. Y todos los planetas estaban envueltos en esa sincronía, producida por la dinámica del disco gaseoso primordial y por la dinámica gravitatoria de los propios planetas”, dijo.

Sin embargo, a lo largo de toda la zona de formación del Sistema Solar externo, lo que incluye al área situada más allá de las órbitas actuales de Urano y Neptuno, el Sistema Solar contaba con una gran población de planetesimales, pequeños cuerpos de roca y hielo a los que se considera como los bloques constructivos de los planetas y precursores de los asteroides, cometas y satélites. Y el disco exterior de planetesimales empezó a perturbar el equilibrio gravitatorio del conjunto.

De este modo, después de la fase del gas, las resonancias se rompieron. El sistema entró en una etapa caótica, con interacciones violentas entre los planetas gigantes e incluso con eyecciones de planetas hacia el espacio exterior. “Plutón y sus vecinos de hielo fueron arrojados hacia la región en donde se encuentran actualmente, en el Cinturón de Kuiper. Y el conjunto de los planetas migró hacia órbitas más cercanas al Sol”, según informó Ribeiro.

En este punto, cabe recordar que el Cinturón de Kuiper, cuya existencia fue postulada en 1951 por el astrónomo holandés Gerard Kuiper y confirmada mediante observaciones astronómicas posteriores, posee una estructura toroidal, similar a un neumático, que está conformada por miles de pequeños cuerpos que orbitan alrededor del Sol, con una diversidad de órbitas nunca vista en otras regiones del Sistema Solar. Su borde interior se ubica en donde está actualmente la órbita de Neptuno, a 30 unidades astronómicas de distancia del Sol. Una unidad astronómica, UA, es aproximadamente igual a la distancia promedio desde la Tierra hasta el Sol. El borde exterior se ubica a alrededor de 50 UA del Sol.

Volviendo al tema de la ruptura de la sincronía y al desencadenamiento de la fase caótica, la cuestión reside en saber cuándo esto ocurrió: si en una etapa muy temprana –cuanto el Sistema Solar tenía 100 millones de años, o incluso menos–, o en una etapa posterior, cuando los planetas ya tenían una cierta edad (probablemente alrededor de 700 millones de años).

“Hasta hace poco, la hipótesis de la inestabilidad tardía predominaba. La datación de rocas de la Luna, recolectadas por astronautas de la Misión Apollo, sugirió que las mismas habrían sido generadas por impactos severos y simultáneos de diversos asteroides y cometas sobre la superficie lunar. A este cataclismo se lo conoce con el nombre de ‘bombardeo intenso tardío de la Luna’. Y si sucedió en la Luna, ha de haber acaecido también en la Tierra y en los demás planetas terrestres del Sistema Solar. Como en el período de inestabilidad planetaria hubo un lanzamiento de mucho material en forma de asteroides y cometas hacia todas las direcciones del Sistema Solar, se dedujo a partir de la edad de las rocas traídas desde la Luna que ese período caótico habría ocurrido tarde. Pero en los últimos años, la historia del ‘bombardeo intenso tardío de la Luna’ ha venido perdiendo crédito”, afirmó Ribeiro.

De acuerdo con el investigador, de haber ocurrido, ese cataclismo caótico tardío podría haber destruido a la Tierra y a los restantes planetas terrestres del Sistema Solar. O haber provocado perturbaciones que los habrían ubicado en órbitas totalmente distintas a las actuales. Asimismo, se descubrió que las rocas que trajo la Misión Apollo fueron generadas por un solo impacto, lo cual no sería de esperarse si las mismas hubiesen sido originadas por una gran inestabilidad planetaria tardía. Esta habría generado diversos impactos distintos en función de la dispersión de los planetesimales producida por los planetas gigantes.

“Nuestro trabajo partió de la idea de que a la datación de la inestabilidad debe buscársela en forma dinámica. La única manera de que esa inestabilidad pudiese haber ocurrido tardíamente sería si al momento en que el gas se terminó existiese una distancia relativamente grande entre el borde interno del disco de planetesimales, es decir, desde el disco de acreción planetaria, y la órbita de Neptuno. Y esa distancia relativamente grande no se sostuvo en el marco de nuestra simulación”, subrayó Ribeiro. 

Este argumento parte de una premisa sencilla: cuanto menor es la distancia, mayor es la influencia gravitatoria entre Neptuno y el disco de planetesimales. Por ende, más temprano es el período de inestabilidad. Inversamente, una inestabilidad tardía requiere que la distancia sea grande.

“Lo que hicimos fue esculpir por primera vez el disco de planetesimales primordial. Para ello, tuvimos que regresar a la formación de los propios planetas gigantes de hielo, Urano y Neptuno. A partir de un modelo construido por el profesor Izidoro en 2015, realizamos simulaciones computacionales que mostraron que la formación de Urano y Neptuno puede haber provenido de embriones planetarios con las masas de algunas Tierras. Las colisiones gigantescas de esas supertierras explicaría el hecho de que Urano posea un eje de rotación tumbado”, dijo el investigador. 

Trabajos anteriores ya habían puesto en evidencia la importancia de la distancia entre la órbita de Neptuno y el borde interior del disco de planetesimales. Pero dichos trabajos partían de un modelo en el cual los cuatro planetas gigantes ya estaban formados. “La novedad que aporta el actual trabajo consiste en que el modelo no empieza con los planetas completamente formados, sino que contempla a Urano y Neptuno aún en fase de crecimiento. Y este crecimiento habría sucedido a partir de dos o tres colisiones de objetos de hasta cinco veces la masa de la Terra”, comentó Izidoro.

“Imaginemos una situación en la cual Júpiter y Saturno ya estén formados, pero que, en lugar de Urano y Neptuno, haya allí entre cinco y diez supertierras. Esas supertierras serían forzadas por el gas a entrar en la misma sincronía de Júpiter y Saturno. No obstante, como son numerosas, entrarían y saldrían, colisionando eventualmente. Debido a esas colisiones, su cantidad se reduciría, lo cual haría posible la sincronización. Al final, restaron Urano y Neptuno”, detalló Izidoro.

Y prosiguió: “Durante la fase en la cual los dos gigantes de hielo estaban evolucionando en el gas, el disco de planetesimales también se fue consumiendo. Parte de este material se agregó a Urano y Neptuno, y otra parte fue arrojada lejos, hacia los confines del Sistema Solar. De este modo, el crecimiento de Urano y Neptuno definió la posición del borde interno del disco de planetesimales. Lo que restó de ese disco compone actualmente el Cinturón de Kuiper, que es, básicamente, una reliquia que sobró del disco de planetesimales primordial, que era mucho más masivo”.

El modelo propuesto es coincidente con las órbitas actuales de los planetas gigantes y también con la estructura observada en el Cinturón de Kuiper. Y también con el movimiento de los troyanos, asteroides que comparten la órbita de Júpiter, y que habrían sido capturados durante la ruptura del sincronismo.

En un trabajo publicado por Izidoro en 2017 (lea más en: agencia.fapesp.br/26599/), Júpiter y Saturno aún estaban en formación, y su crecimiento contribuía para con el desplazamiento del Cinturón de Asteroides. El trabajo actual es una especie de continuación, que parte de un estadio en el cual Júpiter y Saturno ya están completamente formados, pero con sus movimientos aún sincronizados. Y en él se describe la evolución del Sistema Solar a partir de entonces. 

“La interacción gravitatoria entre los planetas gigantes y el disco de planetesimales produjo perturbaciones en el disco de gas, que se propagaron como ondas. Esas ondas generaron sistemas planetarios compactos y sincrónicos. Cuando el gas se terminó, las interacciones entre los planetas y el disco de planetesimales rompieron el sincronismo y dieron origen a la fase caótica. Teniendo en cuenta todo esto, descubrimos que no hubo ninguna condición como para que la distancia entre la órbita de Neptuno y el borde interno del disco de planetesimales se volviese lo suficientemente grande como para sostener la hipótesis de la inestabilidad tardía. Este fue el gran aporte del nuestro trabajo: mostrar que la inestabilidad sucedió en el peldaño de la primera centena de millones de años, y que podría haber ocurrido antes de la formación de la Tierra y de la Luna, por ejemplo”, culminó Ribeiro.

Esta investigación contó con el aporte económico de la FAPESP a través de una Beca Doctoral y de una Beca de Pasantía de Investigación en el Exterior concedidas a Ribeiro; de una Beca de Apoyo a Jóvenes Investigadores y de una Ayuda a la Investigación de Apoyo a Jóvenes Investigadores concedidas a Izidoro; y en el marco del Proyecto Temático intitulado “La relevancia de los pequeños cuerpos en dinámica orbital”, coordinado por Othon Cabo Winter. 

Puede leerse el artículo intitulado Dynamical evidence for an early giant planet instability en el siguiente enlace: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103519301332#.