Astrofísica

¿Alguna vez se ha expulsado algún planeta de nuestro sistema solar (pista: no es Plutón)?

Sabemos que el sistema solar tiene ocho planetas, ¡pero los estudios parecen mostrar que el sistema solar podría haber comenzado con más!

Hemos estado observando los planetas de nuestro sistema solar desde entonces. Aunque Urano y Neptuno llegaron tarde a unirse a la fiesta, los otros planetas influyeron mucho en las personas, especialmente en las culturas y tradiciones antiguas y medievales.

Luego, por supuesto, tenemos el curioso caso de Plutón, que perdió sin miramientos su condición de planeta en 2006.

Sin embargo, ¿solo hemos tenido ocho planetas a lo largo de toda la historia de nuestro sistema solar? ¿Había más planetas? Y si es así, ¿qué les pasó?

Hay varias respuestas a esta pregunta, pero este artículo solo tratará sobre los antiguos planetas que estaban en nuestro sistema solar y luego fueron expulsados. No cubrirá temas como cómo Plutón perdió su condición de planeta.

La formación del sistema solar y sus planetas.

El sistema solar comenzó con el colapso gravitacional del gas y el polvo interestelar. Con el tiempo, el material que caía acumuló tanta presión que el hidrógeno comenzó a fusionarse para formar helio, lo que llevó a la formación de nuestro Sol.

Mientras tanto, el material ubicado más lejos del centro de formación del Sol, dentro del disco protoplanetario, también comenzó a fusionarse. Un disco protoplanetario es un disco giratorio de gas y polvo alrededor de una estrella recién formada. Este proceso de agrupación continuó creando objetos cada vez más grandes. Eventualmente creó planetas, planetas enanos y lunas más grandes. Este proceso de agrupamiento puede ocurrir en varias etapas.

El primer paso es la creación de polvo a partir de la condensación del gas presente en el disco protoplanetario. El polvo forma un disco delgado, que se derrumba gradualmente para crear pequeños animales. Entonces estos animales planetarios se agrupan en grandes cantidades. La velocidad a la que se produce este agrupamiento depende de una serie de factores, incluido cuánto frena el gas circundante a estos planetesimales.

Los planetas continúan combinándose y formando objetos más grandes. En cierto punto, los planetas se vuelven lo suficientemente grandes como para que se produzca una combinación a través de una colisión directa. Esto creará animales planetarios más grandes a un ritmo mucho más rápido. La etapa final de acreción es la formación de objetos del tamaño de un planeta.

También hubo casos en los que no se crearon objetos grandes en el clúster. Entre los objetos creados a raíz de estas situaciones se encuentran cometas, pequeñas lunas irregulares, meteoroides, etc.

El sistema solar puede haber comenzado con más de los ocho planetas que conocemos hoy. Por ejemplo, la creación de la luna podría deberse a la colisión de la Tierra con otro planeta del tamaño de Marte, lo que sugiere que alguna vez tuvimos más de ocho planetas. Con el tiempo, las órbitas comenzaron a estabilizarse y el sistema solar finalmente se asentó en los ocho planetas que vemos hoy.

Entonces, ¿qué pasó con los planetas anteriores? Existe la posibilidad de que algunos de ellos chocaran entre sí.

Sin embargo, algunos estudios indican que un planeta puede haber sido expulsado del sistema solar, convirtiéndolo en un planeta rebelde. La mayoría de estos estudios coinciden en que este planeta expulsado es probablemente un gigante gaseoso o un gigante de hielo. A continuación, analizaremos esta posibilidad con más profundidad.

El estudio de Nesvorný del quinto planeta gigante

Un estudio fue publicado en 2011 por un astrónomo, David Nesvorný, del Southwest Research Institute. En él, realizó simulaciones por computadora para diferentes condiciones iniciales para estudiar la evolución del sistema solar primitivo. El principal objetivo de su estudio era comprender la migración de los planetas exteriores. La migración planetaria se refiere a cualquier tipo de cambio que ocurre en la órbita de un planeta, a menudo cuando interactúa con gas cercano u otros cuerpos planetarios. Esto puede resultar en un aumento o disminución en el tamaño de su órbita.

Una de las motivaciones es que las órbitas planetarias casi circulares y ampliamente espaciadas de nuestro sistema solar no están presentes en la mayoría de los sistemas de exoplanetas observados. En las simulaciones, Nesvorný comenzó con varias condiciones iniciales diferentes, incluida la introducción de un quinto planeta entre las órbitas de Saturno y los gigantes gaseosos, o después de la órbita de Neptuno. Se supuso que la masa del quinto planeta era la misma que la de Urano.

La investigación de Nesvorný presentó varios criterios para el éxito de sus simulaciones. La primera fue que la alineación planetaria final, tal como la tenemos ahora, debería tener cuatro gigantes gaseosos. El segundo criterio fue que estos cuatro planetas deberían tener órbitas similares a las que existen hoy. El tercero establece un límite a la excentricidad de las órbitas. La excentricidad se refiere a la órbita elíptica o circular que se produce. El último criterio relacionado con los valores de las relaciones entre los posibles períodos orbitales de Júpiter y Saturno.

El estudio comparó los modelos obtenidos utilizando las condiciones iniciales de cuatro y cinco planetas exteriores. Tiene en cuenta varios factores, incluida la masa del disco protoplanetario y la resonancia orbital (planetas con períodos orbitales con proporciones de números enteros pequeños).

Los resultados de sus simulaciones indican que la condición inicial de los cinco planetas exteriores parece ser un escenario mucho más probable que el caso de los cuatro planetas exteriores. Según las simulaciones, la eyección del quinto planeta se produjo unos 820.000 años después del nacimiento del sistema solar. Los planetas restantes luego se estabilizaron y migraron a las órbitas actuales que vemos hoy.

¿Podrían Júpiter y Saturno darnos algunas pistas?

En 2015, los astrónomos Ryan Cloutier, Daniel Tamayo y Diana Valencia de la Universidad de Toronto realizaron un estudio de simulación similar. El enfoque principal fue averiguar si Júpiter o Saturno fueron los responsables de la expulsión del quinto planeta.

Aquí, desarrollaron modelos de las posibles interacciones del quinto planeta con Júpiter y Saturno. Con él, estudiaron cómo estos encuentros podrían afectar las órbitas de sus lunas, especialmente las de Calisto de Júpiter y Japeto de Saturno.

Para este propósito, realizaron simulaciones de los encuentros cercanos de los gigantes gaseosos con el planeta emisor. Aquí, asumieron que el quinto exoplaneta tenía una masa igual a la de Urano. Luego modelaron las audiencias para varios valores de las distancias de separación más cercanas, comenzando desde 0,02 UA, y aumentando hasta que los encuentros ya no provocaron expulsión.

Las simulaciones parecen mostrar que es plausible que Júpiter pueda expulsar un gigante de hielo de nuestro sistema solar. Casi la mitad de las simulaciones de eyección dan como resultado una órbita para Callisto que es algo idéntica a la que vemos hoy.

Mientras tanto, Saturno, tras el contacto con el quinto gigante de hielo, provocaría que Japeto tuviera una órbita que no es como la que vemos hoy. Esto sugiere que es poco probable que Saturno haya expulsado un gigante de hielo. Sin embargo, también señalan que la formación de Iapetus también es extremadamente incierta. Así, eso afectaría la certeza de Saturno tras el contacto con el quinto gigante de hielo y finalmente lo desalojaría.

Un estudio de 2020 realizado por los astrónomos Matthew S. Clement, Sean N. Raymond, Nathan A. Kaib, Rogerio Deienno, John E. Chambers y André Izidoro involucró simulaciones detalladas de las historias orbitales de Júpiter y Saturno, particularmente sus escapes.

El estudio aplicó los mismos cuatro criterios que utilizó Nesvorný en su trabajo. Realizaron más de 6.000 simulaciones considerando un número inicial de cuatro, cinco e incluso seis planetas exteriores. Sus resultados parecen favorecer los casos de cinco y seis planetas más que el caso de cuatro planetas.

Bonito modelo de cinco planetas.

Las simulaciones por computadora parecen favorecer que el sistema solar pudo haber comenzado originalmente con cinco planetas. El modelo de Niza que comenzó con cinco planetas mostró un parecido satisfactorio con nuestro sistema solar actual. El modelo de Niza se refiere a una serie de teorías que describen la evolución del sistema solar primitivo, particularmente las órbitas de Urano y Neptuno.

El modelo de cinco planetas de Niza se basó en el trabajo de Nesvorný discutido anteriormente, en el que el quinto planeta era un gigante de hielo ubicado entre las órbitas de Saturno y Urano. Los astrónomos Konstantin Batygin y Michael E. Brown del Instituto de Tecnología de California y Hayden Betts de la Escuela Politécnica de California, siguieron este modelo en 2011.

Su estudio mostró que comenzar con cinco planetas exteriores no era ni más ni menos ventajoso. Sin embargo, enfatizaron que esto era en gran medida independiente de las condiciones iniciales, y que las tasas de éxito de la condición de los cinco planetas eran exclusivas del modelo particular que desarrollaron.

Palabras finales

Sí, las implicaciones teóricas nos dicen que el sistema solar puede tener un planeta que probablemente sea un gigante de hielo que expulsó a Júpiter (o tal vez a Saturno). Para determinar la prueba de esta teoría, tendríamos que profundizar en las condiciones iniciales exactas de cómo comenzó nuestro sistema solar. Desafortunadamente, estas condiciones iniciales son extremadamente difíciles de encontrar.

También es poco probable que veamos un planeta rebelde que anteriormente formaba parte de nuestro sistema solar. En realidad, los planetas rebeldes son difíciles de encontrar. Nuestra mejor manera de averiguar si el sistema solar liberó un quinto planeta grande es a partir de las propias simulaciones.

Cristy

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