Una sofisticada simulación por ordenador muestra cómo se pueden haber formado los satélites del sistema solar exterior helado

Las masas de los satélites oscilan entre 1/10 y 1/1000 de las TNO correspondientes. Crédito: NASA / APL / SwRI / ESA / STScI.

Usando sofisticadas simulaciones y observaciones por ordenador, un equipo liderado por investigadores del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida (ELSI) en el Instituto de Tecnología de Tokio ha demostrado cómo pueden haberse formado los llamados objetos transneptunianos (o TNO). Los TNO, que incluyen el planeta enano Plutón, son un grupo de pequeños cuerpos helados y rocosos, más pequeños que los planetas, pero más grandes que los cometas, que orbitan el Sistema Solar más allá del planeta Neptuno. Los TNO probablemente se formaron al mismo tiempo que el Sistema Solar, y comprender su origen podría proporcionar pistas importantes sobre cómo se originó todo el Sistema Solar. 

Al igual que muchos cuerpos del sistema solar, incluida la Tierra, los TNO a menudo tienen sus propios satélites, que probablemente se formaron pronto a partir de colisiones entre los bloques de construcción del Sistema Solar. Comprender el origen de los TNO junto con sus satélites puede ayudar a comprender el origen y la evolución temprana de todo el Sistema Solar. Las propiedades de los TNO y sus satélites, por ejemplo, sus propiedades orbitales, su composición y sus tasas de rotación, proporcionan una serie de pistas para comprender su formación. Estas propiedades pueden reflejar su formación e historia de colisión, que a su vez puede estar relacionada con la forma en que las órbitas de los planetas gigantes Júpiter, Saturno, Neptuno y Urano cambiaron con el tiempo desde que se formó el Sistema Solar. 

La nave espacial New Horizons voló por Plutón, el TNO más famoso, en 2015. Desde entonces, Plutón y su satélite Caronte han atraído la atención de los científicos planetarios, y se han encontrado muchos satélites pequeños nuevos alrededor de otros TNO grandes. De hecho, ahora se sabe que todos los TNO conocidos de más de 1000 km de diámetro tienen sistemas satelitales. Curiosamente, el rango de la relación de masa estimada de estos satélites a sus sistemas anfitriones varía de 1/10 a 1/1000, abarcando la relación de masa de la Luna a la Tierra (~ 1/80). Esto puede ser significativo porque se cree que la Luna de la Tierra y Caronte se formaron a partir de un impactador gigante. 

Los paneles superiores muestran instantáneas del impacto gigante de formación de satélite con aproximadamente 1 km / s de la velocidad de impacto y 75 grados del ángulo de impacto. El panel inferior muestra la vista esquemática de la circularización de la órbita del satélite debido a la interacción de las mareas después de la formación del satélite. Crédito: Arakawa et al. (2019) Nature Astronomy.

Para estudiar la formación y evolución de los sistemas satelitales TNO, el equipo de investigación realizó más de 400 simulaciones de impacto gigantes y cálculos de evolución de las mareas. "Este es un trabajo realmente duro", dice el autor principal del estudio, el profesor Hidenori Genda del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida (ELSI) en el Instituto de Tecnología de Tokio. Otros miembros del equipo de Tokyo Tech incluyeron a Sota Arakawa y Ryuki Hyodo. 

El estudio de Tokyo Tech encontró que el tamaño y la órbita de los sistemas satelitales de TNO grandes se explican mejor si se formaron a partir de los impactos de los progenitores fundidos. También averiguaron que los TNO que son lo suficientemente grandes pueden retener el calor interno y permanecer fundidos por un lapso de solo unos pocos millones de años; especialmente si su fuente de calor interna son isótopos radiactivos de corta duración, como el Aluminio-26, que también se ha implicado en el calentamiento interno de los cuerpos parentales de los meteoritos. Dado que estos progenitores necesitarían tener un alto contenido de radionúclidos de vida corta para poder ser fundidos, estos resultados sugieren que los sistemas de satélites TNO se formaron antes de la migración hacia el exterior de los planetas exteriores, incluido Neptuno, o en los primeros ~ 700 millones de años de Historia del sistema solar. 

La relación entre la excentricidad inicial de los satélites formados y la excentricidad final después de una evolución de la marea de 4.500 millones de años en tres casos. Cuando los cuerpos planetarios están rígidos durante todo el tiempo (figura derecha) o se comportan como un fluido durante los primeros 1000 años (figura media), la mayoría de las excentricidades no se amortiguaron, lo que no es inconsistente con la observación. Cuando se comportan como un fluido durante los primeros> 1 millón de años, las excentricidades resultantes son consistentes con la observación. Crédito: Arakawa et al. (2019) Nature Astronomy.

Las teorías anteriores sobre la formación de planetas habían sugerido que el crecimiento de los TNO tradaba mucho más que la vida útil de los radionúclidos de vida corta, por lo que los TNO no debían haberse fundido cuando se formaron. Sin embargo, estos científicos encontraron que la rápida formación de TNO es consistente con los estudios recientes de formación de planetas que sugieren que los TNO se formaron a través de la acumulación de sólidos pequeños en cuerpos preexistentes. La rápida formación de grandes TNO es consistente con los estudios recientes de formación de planetas; sin embargo, otros análisis sugieren que los cometas se formaron bastante después de que la mayoría de los radionúclidos de vida corta hubieran decaído. Por lo tanto, los autores señalan que todavía hay mucho trabajo por hacer para producir un modelo unificado para el origen de los cuerpos planetarios del Sistema Solar. 

Las masas de los satélites oscilan entre 1/10 y 1/1000 de las TNO correspondientes. Para comparación, también se muestran la Tierra y la Luna. Crédito: NASA / APL / SwRI / ESA / STScI.

Más información: Sota Arakawa et al, Formación temprana de lunas alrededor de grandes objetos trans-neptunianos a través de impactos gigantes, Nature Astronomy (2019). DOI: 10.1038 / s41550-019-0797-9

Fuente: Tokyo Institute of Technology,