Los planetas gigantes jóvenes nacen del gas y el polvo. Investigadores de ETH Zürich y las Universidades de Zürich y Berna simularon diferentes escenarios confiando en la potencia de cálculo del Centro Nacional de Supercomputación de Suiza (CSCS) para descubrir cómo se forman y evolucionan exactamente. Compararon sus resultados con las observaciones y pudieron mostrar, entre otros, una gran diferencia entre los mecanismos de formación postulados.

Los astrónomos establecieron dos teorías que explican cómo podrían nacer planetas gigantes gaseosos como Júpiter o Saturno. Un mecanismo de formación de abajo hacia arriba establece que primero, se agrega un núcleo sólido de aproximadamente diez veces el tamaño de la Tierra. "Luego, este núcleo es lo suficientemente masivo como para atraer una cantidad significativa de gas y mantenerlo, "explica Judit Szulágyi, becario postdoctoral en la ETH Zürich y miembro del Swiss NCCR PlanetS. La segunda teoría es un escenario de formación de arriba hacia abajo:aquí el disco gaseoso alrededor de la estrella joven es tan masivo, que debido a la autogravedad del gas-polvo, se forman brazos espirales con grumos en el interior. Luego, estos grupos colapsan a través de su propia gravedad directamente en un planeta gaseoso, similar a cómo se forman las estrellas. El primer mecanismo se llama "acumulación de núcleo, "la segunda" inestabilidad del disco ". En ambos casos, se forma un disco alrededor de los gigantes gaseosos, llamado disco circumplanetario, que servirá como un nido de nacimiento para que se formen los satélites.

Para averiguar qué mecanismo tiene lugar realmente en el Universo, Judit Szulágyi y Lucio Mayer, Profesor de la Universidad de Zürich, simuló los escenarios en la supercomputadora Piz Daint en el Centro Nacional de Supercomputación de Suiza (CSCS) en Lugano. "Llevamos nuestras simulaciones al límite en términos de la complejidad de la física agregada a los modelos, "explica Judit Szulágyi:" Y logramos una resolución más alta que nadie antes ".

En sus estudios publicados en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society , los investigadores encontraron una gran diferencia entre los dos mecanismos de formación:en el escenario de inestabilidad del disco, el gas en las cercanías del planeta se mantuvo muy frío, alrededor de 50 Kelvin, mientras que en el caso de acreción del núcleo, el disco circumplanetario se calentó a varios cientos de Kelvin. "Las simulaciones de inestabilidad del disco son las primeras que pueden resolver el disco circumplanetario alrededor de múltiples protoplanetas, utilizando decenas de millones de elementos de resolución en el dominio computacional. Explotamos Piz Daint para acelerar los cálculos utilizando unidades de procesamiento de gráficos (GPU), "agrega Mayer.

Esta enorme diferencia de temperatura es fácilmente observable. "Cuando los astrónomos investigan la formación de nuevos sistemas planetarios, solo medir las temperaturas en las cercanías del planeta será suficiente para saber qué mecanismo de formación construyó el planeta dado, "explica Judit Szulágyi. Una primera comparación de los datos calculados y observados parece favorecer la teoría de la acreción central. Otra diferencia que se esperaba no aparecía en la simulación por computadora. Antes, La astrofísica pensó que el disco circumplanetario difiere significativamente en masa en los dos escenarios de formación. "Demostramos que esto no es cierto, "dice el miembro de PlanetS.

Frente de choque luminoso detectado

En cuanto al tamaño del planeta recién nacido, Las observaciones pueden ser engañosas, ya que el astrofísico encontró en un segundo estudio junto con Christoph Mordasini, Catedrático de la Universidad de Berna. En el modelo de acreción del núcleo, los investigadores observaron más de cerca el disco alrededor de los planetas con masas de tres a diez veces más grandes que las de Júpiter. Las simulaciones por computadora mostraron que el gas que cae sobre el disco desde el exterior se calienta y crea un frente de choque muy luminoso en la capa superior del disco. Esto altera significativamente la apariencia de observación de los jóvenes, formando planetas.

"Cuando vemos un punto luminoso dentro de un disco circumplanetario, no podemos estar seguros de si vemos la luminosidad del planeta, o también la luminosidad del disco circundante, "dice Judit Szulágyi. Esto puede llevar a una sobreestimación de la masa del planeta de hasta cuatro veces". Entonces, tal vez un planeta observado tenga solo 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 utilizando las leyes físicas básicas como la gravedad o las ecuaciones hidrodinámicas del gas. Debido a la complejidad de los modelos físicos, las simulaciones consumieron mucho tiempo, incluso en el superordenador más rápido de Europa en CSCS:"En el orden de nueve meses de funcionamiento en cientos o varios miles de núcleos informáticos", estima Judit Szulágyi:"Esto significa que en un núcleo informático habría tardado más que toda mi vida".

Sin embargo, todavía quedan desafíos por delante. Las simulaciones de inestabilidad del disco aún no cubren una escala de tiempo prolongada. Es posible que después de que el protoplaneta se haya colapsado a la densidad de Júpiter, su disco se calentará más como en un núcleo de acreción. Igualmente, el gas más caliente que se encuentra en el caso de acreción del núcleo estaría parcialmente ionizado, un entorno favorable a los efectos de los campos magnéticos, completamente descuidado hasta ahora. El siguiente paso será ejecutar simulaciones aún más caras con una descripción más completa de la física.