¡ATENCIÓN AQUÍ! ¿Cómo se forman los planetas como Júpiter?

Nacen como pequeños planetas gigantes de gas y polvo. Investigadores de ETH Zürich y las universidades de Zürich y Berna simularon diferentes escenarios confiando en la potencia informática del centro suizo de supercomputación nacional (CSCS) para averiguar cómo exactamente se forman y evolucionan. Compararon sus resultados con las observaciones y fueron capaces de demostrar  una gran diferencia entre los mecanismos postulados de formación.

 

 

Base de acumulación: un planeta de masa 10 de Jupiter se forma y se coloca a 50 UA de la estrella. El planeta ha abierto un espacio en el disco circunestelar. Crédito: J. Szulagyi, código de JÚPITER

Los astrónomos han establecido dos teorías que explican cómo los planetas gaseosos gigantes como Júpiter o Saturno podrían nacer. Un mecanismo de formación de abajo hacia arriba indica que primero, se agrega un núcleo sólido de aproximadamente diez veces el tamaño de la tierra. "Entonces, es lo suficientemente masivo para atraer a una cantidad significativa de gas y mantenerlo, este núcleo", explica Judit Szulágyi, postdoctoral  en el ETH Zürich y miembro de los planetas NCCR suizo.

 

La segunda teoría es un escenario de formación de arriba hacia abajo: aquí es tan masivo, que debido a su propia gravedad de gas-polvo, se forman brazos espirales  con grumos dentro del disco gaseoso alrededor de la joven estrella. Entonces, estos grupos colapsan por su propia gravedad directamente en un planeta gaseoso, similar a cómo se forman las estrellas. El primer mecanismo se llama "-acreción del núcleo," el segundo "disco inestabilidad". En ambos casos, se forma un disco alrededor de los gigantes del gas, llamado el disco  circumplanetario, que servirá como un nido de nacimiento para los satélites que se formen.

Para saber qué mecanismo ocurre realmente en el universo, Judit Szulágyi y Lucio Mayer, profesores de la Universidad de Zürich, simularon escenarios en la supercomputadora Piz Daint en el centro suizo de supercomputación nacional (CSCS) en Lugano. "Empujamos nuestras simulaciones a los límites en cuanto a la complejidad de la física a los modelos", explica Judit Szulágyi: — y hemos conseguido una resolución más alta que antes.

 

 

En sus estudios publicados en los avisos mensuales de la sociedad astronómica real, los investigadores encontraron una gran diferencia entre los mecanismos de formación de dos: en el escenario de inestabilidad de disco, el gas en las proximidades del planeta seguía siendo muy frío, alrededor de 50 grados Kelvin, mientras que en el caso de acreción del núcleo del disco  circumplanetario fue calentado a varios cientos de grados Kelvin. "Las simulaciones de inestabilidad de disco son los primeros que pueden resolver el disco  circumplanetario alrededor de varios protoplanetas, con decenas de millones de elementos de la resolución en el dominio computacional. Hemos explotado Piz Daint para acelerar los cálculos usando gráficos (GPU) de unidades de procesamiento", agrega Mayer.

 

Esta diferencia de enorme temperatura es fácilmente observable. "Cuando los astrónomos en la formación de nuevos sistemas planetarios, puedan medir las temperaturas en las proximidades del planeta será suficiente para saber cual es el mecanismo de formación para construir determinado planeta," explica Judit Szulágyi. Una primera comparación de los datos calculados y observados parece favorecer la teoría de acreción del núcleo. Otra diferencia que se esperaba que no se muestra en la simulación por ordenador. Antes, la astrofísica pensó que el disco  circumplanetario difiere significativamente en masa en la formación de dos escenarios. "Demostramos que esto no es cierto," dice el miembro de PlanetS.

 

Simulación de inestabilidad gravitatoria: dos instantáneas en la primera y última etapa de la simulación a 780 años y 1942 años. La segunda instantánea muestra sólo 4 grupos restantes entre las que se formaron inicialmente. Crédito: Lucio Mayer & T. Quinn, ChaNGa código

 

Con respecto al tamaño del planeta recién nacido, las observaciones pueden ser engañosas como el astrofísico encontró en un segundo estudio junto con Christoph Mordasini, profesor de la Universidad de Berna. En el modelo de acreción de núcleo los investigadores tenían una mirada más cercana en el disco alrededor de planetas con masas de tres a diez veces mayores que la de Júpiter. Las simulaciones por ordenador demostraron que gas cayendo sobre el disco desde el exterior se calienta para arriba y crea un frente de choque muy luminoso en la capa superior del disco. Esto altera significativamente el aspecto observacional en la  formación de jóvenes planetas.

 

"Cuando vemos un punto luminoso dentro de un disco  circumplanetario, no podemos estar seguros si vemos la luminosidad del planeta, también los alrededores del disco o luminosidad," dice Judit Szulágyi. Esto puede conducir a una sobreestimación de la masa del planeta de hasta cuatro veces. "Así que tal vez un planeta observado tiene la misma masa que Saturno en lugar de algunas masas de Júpiter", concluye el científico.

 

En sus simulaciones, los astrofísicos imitaron los procesos de formación mediante el uso de las leyes básicas de la física como la gravedad o las ecuaciones hidrodinámicas del gas. Debido a la complejidad de los modelos físicos, las simulaciones fueron muy lentas, incluso en el superordenador más rápido de Europa en el CSC: "del orden de nueve meses de duración en cientos a varios miles de núcleos de computación", estima Judit Szulágyi: "Esto significa que la formación de un núcleo en la computadora habría tomado más que mi vida".

 

Todavía hay retos por delante. Simulaciones de la inestabilidad del disco todavía no cubren un largo plazo. Es posible que después que el  protoplaneta ha colapsado a la densidad de Júpiter su disco se calentará más en acreción del núcleo. Asimismo, el gas más caliente en el caso de acreción del núcleo sería parcialmente ionizado, un entorno favorable para los efectos de campos magnéticos, totalmente descuidados hasta ahora. Ejecutando simulaciones más caras con una descripción más rica de la física será el siguiente paso.