Robar del sistema solar: los efectos de un sobrevuelo estelar con el Sol

Impresión del artista de un disco protoplanetario alrededor de una estrella. [NASA / JPL-Caltech]

Una estrella nace del colapso gravitacional de una nube de gas y polvo. Sin embargo, no todo el material termina en la estrella, por el contrario se forma un disco protoplanetario plano que rodea a la nueva estrella. Con el tiempo, los materiales en este disco se unen para formar planetas, lunas, asteroides y la mayoría de los otros objetos que podría encontrar cerca de una estrella típica. 

Como los discos protoplanetarios son planos, la expectativa es que todos los planetas y objetos que orbitan alrededor de una estrella formada a partir de un disco protoplanetario orbitan en un solo plano. Entonces, cuando encontramos estrellas con planetas que orbitan en múltiples inclinaciones diferentes, esto genera preguntas. Un astrobite reciente discutió un caso así, donde se observó un exoplaneta orbitando en un plano completamente diferente a los otros exoplanetas en ese mismo sistema. Pero no necesitamos mirar tan lejos para encontrar desviaciones como esta: nuestro propio sistema solar exhibe varias características que no se alinean, por decirlo de alguna manera. 

Inclinaciones y excentricidades y truncamientos, ¡Oh, Dios mío! 

Durante las primeras 30 UA alrededor del Sol (hasta justo alrededor de las órbitas de Neptuno) las cosas se comportan relativamente bien: la mayoría de las inclinaciones orbitales de los planetas difieren entre sí en uno o dos grados , y ningún planeta tiene una inclinación de más de 8 grados. Pero más allá de Neptuno, en el sistema solar exterior, las inclinaciones orbitales son considerablemente más altas. Plutón, recientemente degradado de planeta a planeta enano, es un ejemplo; su inclinación orbital es más de 17 grados . La misma tendencia existe para las excentricidades orbitales , que tienden a ser significativamente mayores para los objetos más allá de 30 UA en comparación con los que están dentro del límite de 30 UA. 

También existe un patrón similar en el perfil de densidad de la superficie de nuestro sistema solar, que se puede obtener al suavizar la masa acumulada de los objetos del sistema solar (planetas, lunas, asteroides, etc.) para aproximarnos al aspecto del disco protoplanetario del Sol. El perfil de densidad de superficie disminuye gradualmente hasta ~ 30-35 UA, donde cae abruptamente en un factor de casi 1.000 (un fenómeno que a menudo se denomina truncamiento de disco ). ¿Coincidencia? Talvez no. 

Figura 2.  Las órbitas de los objetos seleccionados en nuestro sistema solar. La órbita de Neptuno y las órbitas de los planetas interiores a Neptuno (no señaladas en la figura) están limitadas a un plano delgado, pero las inclinaciones orbitales de los planetas enanos más allá de Neptuno (Plutón, Makemake y Eris se muestran aquí) son significativamente mayores. [journalofcosmology.com].F

Los astrónomos buscan desarrollar teorías que puedan ayudar a explicar estas características peculiares en nuestro sistema solar. Una explicación propuesta afirma que la existencia de un planeta lejano aún no descubierto (a veces llamado Planeta 9) podría causar estos efectos en el sistema solar exterior. Otra posible explicación posible también fue cubierta por un astrobite reciente, y que involucra a una supernova que estallase cerca del sistema solar. 

El artículo de hoy ofrece otra explicación más: ¿qué pasaría si una estrella voló cerca de nuestro Sol, robando un montón del material externo del disco protoplanetario del Sol con ella, y arrojando lo que quedaba en órbitas inclinadas y excéntricas? 

Un ladrón estelar 

Para probar esta teoría denominada encuentro estelar, los autores simularon el Sol rodeado por un disco liso y plano compuesto por partículas de prueba, comprobando lo que sucedería después de que este sistema encontró otra estrella (también conocida como "el perturbador"). Probaron un amplio conjunto de condiciones iniciales al variar la masa del perturbador, como lo cerca que pasaba del Sol y la inclinación de su trayectoria con respecto al disco de partículas de prueba. En todos los casos, comenzaron con un disco que se extendía mucho más allá de nuestro sistema solar actual, y solo seleccionaron simulaciones en las que el sobrevuelo truncó el disco a 30-35 UA, similar a donde se cae la densidad del sistema solar. Luego comprobaron cuál de las simulaciones restantes reproducía otras características de nuestro sistema solar, en particular, cuál de ellas dejó una escasa población de objetos en inclinadas y excéntricas orbitas. 

Figura 3. Tres simulaciones del documento de hoy, mostrando la trayectoria de la estrella perturbadora en negro. Yendo de izquierda a derecha, las masas perturbadoras son 0.5, 1 y 5 masas solares. La fila superior de paneles muestra las posiciones promedio de las partículas que quedan después del sobrevuelo, coloreadas por la excéntrica órbitas (observe el círculo negro alrededor de 30 AU, el radio dentro del cual casi todas las partículas son azules, lo que significa que todas tiene muy pocas excentricidades). La fila inferior de paneles indica las posiciones iniciales (antes del paso) de las diferentes poblaciones de excentricidad que se muestran en la fila superior, con las regiones grises que significan partículas que se liberaron debido a la perturbación [Pfalzner et al. 2018].

Los autores informan de un buen ajuste a las propiedades observadas de nuestro sistema solar para una amplia gama de condiciones iniciales, con los mejores ajustes provenientes de perturbadores con masas que varían de 0,5-1 masas solares. La simulación que más se parecía a nuestro sistema solar se obtuvo de un encuentro con una estrella la mitad de masiva que el Sol que pasa a 100 UA de este. 

Además de este éxito, hay otros dos triunfos dignos de mención de la teoría fly-by. En primer lugar, solo se necesita un solo sobrevuelo para reproducir las características que los autores originalmente se propusieron explicar. Y en segundo lugar, más allá de resolver las preguntas originalmente planteadas, las simulaciones también proporcionaron explicaciones naturales a varias características inexplicadas adicionales de nuestro sistema solar, incluida la relación de masa entre Neptuno y Urano , y la existencia de dos poblaciones distintas de objetos del Cinturón de Kuiper . 

¿Convencido? Bueno, quizás no deberías de estarlo, al menos no todavía. Como señalan los autores, mostrar que incluso un solo evento es suficiente para reproducir los efectos observados no tiene sentido hasta que podamos cuantificar la probabilidad de que un evento como ese ocurra en primer lugar. 

Soleado con la posibilidad de Fly-Bys? 

Para nuestro sistema solar, los sobrevuelos han sido extremadamente raros en los últimos miles de millones de años. Pero la buena noticia es que las estrellas como el Sol normalmente nacen en grandes grupos de estrellas llamadas cúmulos abiertos. Debido a la mayor densidad de estrellas en un entorno de clúster abierto, la posibilidad de pasar volando sube significativamente a medida que retrocedemos en el tiempo. ¿Pero qué tan probable son? 

Para comprobar esto, los autores crearon simulaciones de cúmulos abiertos del tipo en que el Sol podría haberse formado, y verificaron la probabilidad de sobrevuelos como los que estudiaron anteriormente. En la Figura 4 abajo, se muestra que alrededor de 5-10 millones de años después del nacimiento del Sol, hay una probabilidad de alrededor de 0,075% para un encuentro estelar por millón de años. Agregada durante los primeros mil millones de años de la vida del Sol, la posibilidad de experimentar un encuentro alcanza el 20-30%, ¡no tan improbable en absoluto! 

Figura 4. La frecuencia de fly-bys que llevan a un truncamiento del disco alrededor de 30 AU, en función de la edad del sol. La línea de puntos a los 2 millones de años significa la fase de expulsión de gas de un grupo abierto, después del cual los encuentros estelares se vuelven considerablemente menos frecuentes. Tenga en cuenta que los sobrevuelos antes de 5 millones de años deben descartarse porque no permiten suficiente tiempo para que se formen los objetos del sistema solar externo [Pfalzner et al. 2018].

Aunque los autores a día de hoy todavía están lejos de demostrar que un sobrevuelo estelar causó las características peculiares del sistema solar exterior, lo que han demostrado es que es al menos una teoría razonable, que puede reproducir muchos hechos observacionales, y uno que es relativamente realista. 

¿Y ahora qué? Las simulaciones de vuelo produjeron algunas predicciones adicionales, que en su mayoría implican las propiedades detalladas de las órbitas en el sistema solar exterior, que los autores intentan actualmente confirmar con datos de observación. En última instancia, las observaciones precisas de más objetos más allá de Neptuno tienen la clave para fortalecer o refutar la teoría. 

Sources: aasnova, Astrobites, AAS, Susanne Pfalzner, Asmita Bhandare, Kirsten Vincke y Pedro Lacerda, Tomer Yavetz 

Título:  Outer Solar System Possibly Shaped by a Stellar Fly-By (Sistema solar exterior posiblemente conformado por un vuelo estelar)

Autores: Susanne Pfalzner, Asmita Bhandare, Kirsten Vincke y Pedro Lacerda.

Primera institución de autor: Instituto Max Planck de Radioastronomía, Alemania.

Estado:  aceptado en el APJ.