Científicos revelan que Júpiter creció en diferentes, marcadas fases

Este es el hemisferio sur de Júpiter fotografiado por la nave espacial Juno de la NASA. © NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / GeraldEichstaedt / Sean Doran

Con un diámetro ecuatorial de alrededor de 143.000 kilómetros, Júpiter es el planeta más grande en el sistema solar y tiene 300 veces la masa de la Tierra. El mecanismo de formación de planetas gigantes como Júpiter ha sido un tema muy debatido durante varias décadas. Ahora, los astrofísicos del Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) de Suiza, los PlanetS de las Universidades de Berna y Zúrich y ETH Zürich se han unido para explicar los rompecabezas previos sobre cómo se formó Júpiter y las nuevas mediciones. Los resultados de la investigación fueron publicados en la revista Nature Astronomy. 

"Podríamos demostrar que Júpiter creció en fases diferentes y distintas", explica Julia Venturini, postdoctorado en la Universidad de Zürich. "Especialmente interesante es que no es el mismo tipo de cuerpos los que aportan masa y energía", agrega Yann Alibert, Oficial Científico de PlanetS y autor principal del artículo. En primer lugar, el embrión planetario acrecentó rápidamente pequeños guijarros del tamaño de un centímetro y rápidamente construyó un núcleo durante el primer millón de años. Los siguientes dos millones de años estuvieron dominados por la acumulación más lenta de rocas más grandes, de un kilómetro llamadas planetesimales. Golpean el planeta en crecimiento con gran energía, liberando calor. "Durante la primera etapa, los guijarros trajeron la masa", explica Yann Alibert: "En la segunda fase, los planetesimales también agregaron un poco de masa, pero lo que es más importante, aportaron energía". Después de tres millones de años, Júpiter había crecido a un cuerpo de 50 masas la de la tierra. Después comenzaría la tercera fase de formación, dominada por la acumulación de fugas de gas que nos conduce al gigante gaseoso de hoy en día con más de 300 masas de tierra. 

Etapa 1 (hasta 1 Myr): Júpiter (negro) crece por acreción de guijarros (círculos pequeños), y la acreción planetesimal es insignificante. Los grandes planetesimales primordiales (círculos grandes) son excitados por el planeta en crecimiento y sufren altas velocidades de colisión (flechas grandes), lo que lleva a colisiones destructivas (amarillas), que producen pequeños planetesimales de segunda generación (círculos medianos). Etapa 2 (1-3 Myr): Júpiter es lo suficientemente masivo como para evitar la acumulación de guijarros. La energía asociada con la acreción de pequeños planetesimales es lo suficientemente grande como para evitar la rápida acumulación de gas (flechas grises). Etapa 3 (después de 3 Myr): Júpiter es lo suficientemente masivo como para acumular grandes cantidades de gas (hidrógeno, helio). Los guijarros y pequeños planetesimales cercanos pueden capturarse gravitatoriamente. En última instancia, se abre un espacio (blanco) en la nebulosa solar, deteniendo la acumulación de gas adicional.

Sistema solar dividido en dos partes 

El nuevo modelo para el nacimiento de Júpiter coincide con los datos meteóricos que se presentaron en una conferencia en los EE. UU. El año pasado. Al principio, Julia Venturini y Yann Alibert estaban desconcertados cuando escucharon los resultados. Las mediciones de la composición de los meteoritos mostraron que, en los tiempos primordiales del sistema solar, la nebulosa solar se dividió en dos regiones durante dos millones de años. Por lo tanto, se podría concluir que Júpiter actuó como una especie de barrera cuando creció de 20 a 50 masas terrestres. Durante este período, el planeta formador debe haber perturbado el disco de polvo, creando una densidad excesiva que atrapó los guijarros fuera de su órbita. Por lo tanto, el material de las regiones exteriores no podría mezclarse con el material de los interiores hasta que el planeta alcanzara la masa suficiente como para perturbar y dispersar las rocas hacia adentro. 

"¿Cómo pudo haber llevado dos millones de años para que Júpiter creciera de 20 a 50 masas terrestres?", Preguntó Julia Venturini. "Eso pareció demasiado tiempo", explica: "Esa fue la pregunta desencadenante que motivó nuestro estudio". Se inició una discusión por correo electrónico entre los investigadores de NCCR PlanetS de las Universidades de Berna y Zürich y ETH Zürich, y la semana siguiente los expertos en los campos de la astrofísica, la cosmoquímica y la hidrodinámica organizaron una reunión en Berna. "En un par de horas sabíamos lo que teníamos que calcular para nuestro estudio", dice Yann Alibert: "Esto solo fue posible en el marco del NCCR, que vincula a científicos de diversos campos". 

Explicación del retraso en el crecimiento 

Con sus cálculos, los investigadores demostraron que el tiempo que el planeta joven pasó en el rango de masas de 15 a 50 masas de la tierra fue de hecho mucho más largo de lo que se pensaba. Durante esta fase de formación, las colisiones con las rocas de un kilómetro proporcionaron suficiente energía para calentar la atmósfera gaseosa del joven Júpiter e impidieron el enfriamiento rápido, la contracción y la acumulación adicional de gases. "Los guijarros son importantes en las primeras etapas para construir un núcleo rápidamente, pero el calor proporcionado por los planetesimales es crucial para retrasar la acumulación de gas de modo que coincida con la escala de tiempo dada por los datos de la era meteórica", resumieron los astrofísicos. Están convencidos de que sus resultados también proporcionan elementos clave para resolver problemas viejos problemas sobre de la formación de Urano y Neptuno y los exoplanetas en este régimen de masas. 

Publicación: Yann Alibert, et al., "La formación de Júpiter por acreción híbrida guijarro-planetesimal", Astronomía de la naturaleza (2018)

Fuente: Universidad de Zúrich