De un enorme disco de gas y polvo que gira alrededor del sol, la tierra y los otros siete planetas de nuestro sistema solar se desarrollaron una vez junto con sus lunas. Y debe haber pasado lo mismo, los científicos creen, para los miles de planetas extrasolares descubiertos en las últimas décadas. Para obtener más información, Los astrofísicos usan simulaciones por computadora para investigar los procesos en el trabajo a medida que los planetas se forman a partir de tales discos protoplanetarios. como el crecimiento de la masa de un planeta, así como la formación de su campo magnético. Hasta hace muy poco Estos dos procesos, el desarrollo de planetas y la formación de campos magnéticos, han sido campos de investigación separados y se han simulado en modelos separados. Pero ahora, Lucio Mayer, Profesor de Astrofísica Computacional en la Universidad de Zurich y Gerente de Proyectos en el Centro Nacional de Competencia en Planetas de Investigación, junto con sus colegas Hongping Deng, ex Ph.D. alumno de Mayer, y Henrik Latter, Profesor universitario de la Universidad de Cambridge, han combinado con éxito ambos procesos en una simulación por primera vez. Los resultados se han publicado ahora en el Diario astrofísico .

Dos modelos en uno

Los astrofísicos son conscientes de que la llamada inestabilidad gravitacional (GI) en una El disco giratorio de materia juega un papel decisivo en la formación de planetas. Hace que las partículas se "agrupen" de modo que se formen estructuras de alta densidad, como brazos en espiral. De estas estructuras agrupadas, los planetas podrían haberse acumulado rápidamente, durante un período de "solo" cientos de miles de años, o incluso menos. Sin embargo, los efectos del campo magnético durante la inestabilidad gravitacional se han descuidado como punto de estudio, hasta ahora. Con la ayuda de la supercomputadora "Piz Daint" en el Centro Nacional de Supercomputación de Suiza (CSCS) en Lugano, estos científicos ahora han simulado el desarrollo del disco protoplanetario tanto bajo la influencia de la gravedad como en presencia de un campo magnético, descubriendo así un mecanismo completamente nuevo que podría explicar observaciones previamente inexplicables.

Una de esas observaciones inexplicables es que los planetas de nuestro sistema solar hoy en día giran mucho más lentamente que el disco protoplanetario del que debieron haber emergido una vez. Durante la formación de planetas, así como de estrellas y agujeros negros, se deben perder enormes cantidades de momento angular, pero no está claro cómo perdieron este impulso. Este llamado problema del momento angular es bien conocido en astrofísica. "Nuestro nuevo mecanismo parece ser capaz de resolver y explicar este problema muy general, "dice Mayer.

Cumpliendo un sueño científico

Combinar ambos procesos en una simulación ha sido un sueño de Mayer durante muchos años. Sin embargo, los procesos físicos subyacentes son complejos, y su representación en las simulaciones requirió códigos sofisticados y alta potencia de cálculo. Aunque el cumplimiento del sueño se acercó cada vez más con el aumento constante de la potencia informática de las supercomputadoras, No hubo tiempo para la descripción matemático-física de los procesos necesarios para resolver el problema. Sin embargo, gracias al apoyo y las habilidades de Hongping Deng, que desarrolló un método adecuado, el sueño ahora podría hacerse realidad. El equipo experimentó con esta nueva técnica numérica, lo desarrolló aún más, y lo optimizó para hacer el mejor uso posible de la capacidad de rendimiento de "Piz Daint".

Específicamente, los investigadores utilizaron y mejoraron un método llamado híbrido de partículas de malla para calcular el campo magnético, dinámica de fluidos y gravedad. En este método, la masa y la gravedad ejercidas se calculan utilizando partículas, cada uno de los cuales representa una parte del sistema. La presión térmica y el efecto del campo magnético se calculan con una especie de malla virtual adaptativa construida a partir de las partículas, cuales, según los investigadores, permite una alta precisión.

El método recientemente desarrollado condujo a resultados sorprendentes sobre la interacción entre GI y el campo magnético. Se demostró que los brazos espirales formados por la gravedad en el disco protoplanetario actúan como una dínamo, estirar y fortalecer la semilla magnética. Como resultado, el campo magnético crece y gana fuerza. Al mismo tiempo, este proceso genera mucho más calor en el disco protoplanetario de lo que se suponía anteriormente. Lo más sorprendente para los investigadores, sin embargo, Fue el hecho de que la dínamo parece tener una influencia significativa en el movimiento de la materia. La dinamo lo empuja vigorosamente hacia adentro, para acrecentar en la estrella, y hacia afuera, lejos del disco. Esto significa que el disco está evolucionando mucho más rápido de lo que sugerían las teorías anteriores.

La interacción aumenta la acumulación y genera vientos.

"La simulación muestra que la energía generada por la interacción del campo magnético en formación con la gravedad actúa hacia afuera e impulsa un viento que arroja materia fuera del disco, ", Dice Mayer. Esto haría que el 90 por ciento de la masa se perdiera en menos de un millón de años". Si esto es cierto, esta sería una predicción deseable, debido a que muchos de los discos protoplanetarios estudiados con telescopios que tienen un millón de años tienen aproximadamente un 90 por ciento menos de masa que la predicha por las simulaciones de formación de discos hasta ahora, "explica el astrofísico. En última instancia, la extracción de energía hace que la materia colapse y pierda giro. Los investigadores ahora esperan poder observar los vientos y la expulsión de materia en las fases tempranas de la vida de los discos protoplanetarios con telescopios extremadamente poderosos como el ALMA en Chile o el conjunto de kilómetros cuadrados actualmente en construcción.

Los investigadores creen que, a través de su trabajo, han descubierto un mecanismo de fricción completamente nuevo, generado por la interacción del campo magnético y GI, que erosiona significativamente el momento angular del disco. "Gracias al potente motor de ondas de densidad en espiral, Nuestro nuevo mecanismo de fricción parece incluso más eficiente en regiones densas de discos protoplanetarios en las que hay menos partículas cargadas para sostener el campo magnético. ", Dice Deng." Esto es diferente de cualquier otro mecanismo propuesto anteriormente, que no podría sostener el campo magnético en tales regiones. "

Deng ahora está investigando en la Universidad de Cambridge como becario SNF. El nuevo objetivo es fundamentar los resultados de la investigación, por ejemplo utilizándolos —también con otros grupos de investigación— para la simulación de diferentes estructuras cósmicas, como los primeros grandes agujeros negros que se forman en el universo en los albores de la formación de las galaxias.