Un grupo internacional de astrónomos, dirigido por Martin Schlecker del Instituto Max Planck de Astronomía, ha descubierto que la disposición de las rocas, Los planetas gaseosos y helados en sistemas planetarios aparentemente no es aleatorio y depende solo de unas pocas condiciones iniciales. El estudio, que aparecerá en la revista científica Astronomía y Astrofísica , se basa en una nueva simulación que sigue la evolución de los sistemas planetarios durante varios miles de millones de años. Sistemas planetarios alrededor de estrellas similares al sol, que producen en sus regiones interiores super-Tierras con bajo contenido de agua y gas, muy a menudo forman un planeta comparable a nuestro Júpiter en una órbita exterior. Estos planetas ayudan a mantener los objetos potencialmente peligrosos lejos de las regiones interiores.

Los científicos sospechan que el planeta Júpiter jugó un papel importante en el desarrollo de la vida en la Tierra, porque su gravedad a menudo desvía asteroides y cometas potencialmente peligrosos en sus órbitas hacia la zona de los planetas rocosos de una manera que reduce el número de colisiones catastróficas. Por lo tanto, esta circunstancia plantea repetidamente la cuestión de si tal combinación de planetas es bastante aleatoria, o si es un resultado común de la formación de sistemas planetarios.

Super-Tierras secas y Júpiter fríos

Científicos del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, la Universidad de Berna y la Universidad de Arizona ahora han encontrado pruebas contundentes de que los planetas rocosos similares a la Tierra ocurren con mucha frecuencia junto con un planeta similar a Júpiter que se encuentra en una órbita amplia.

"A estos gigantes gaseosos los llamamos Júpiter fríos. Crecen a una distancia de la estrella central, donde el agua existe en forma de hielo, "explica Martin Schlecker, estudiante de doctorado en el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, quien dirigió el estudio. Los planetas similares a la Tierra estudiados son los llamados súper-Tierras secas, es decir., planetas rocosos más grandes y masivos que la Tierra, que tienen solo una fina atmósfera y apenas agua o hielo. Pueblan el interior, es decir., zona templada de los sistemas planetarios y son muy similares a la Tierra excepto por su tamaño. "También, la tierra es, a pesar de los enormes océanos y las regiones polares, con una fracción de volumen de agua de solo 0,12% en total un planeta seco, ", Señala Schlecker.

Por tanto, encontrar un Júpiter frío junto con una super-Tierra rica en hielo en la región interior es casi imposible. Es más, denso, las envolturas de gas extendidas se encuentran principalmente en super-Tierras masivas.

Las simulaciones proporcionan información sobre procesos que son difíciles de medir

Estas conclusiones se basan en una evaluación estadística de nuevas simulaciones de 1000 sistemas planetarios que están evolucionando en un disco protoplanetario alrededor de una estrella similar al sol. Estas simulaciones son el último logro de una colaboración de larga data entre la Universidad de Berna y MPIA para estudiar los orígenes de los planetas desde una perspectiva teórica. Partiendo de condiciones iniciales aleatorias, p.ej., para las masas de gas y materia sólida, el tamaño del disco y las posiciones de las células semilla de nuevos planetas, los científicos siguieron el ciclo de vida de estos sistemas durante varios miles de millones de años. "Durante las simulaciones, los embriones planetarios recogieron material, se convirtió en planetas, cambiaron sus órbitas, chocaron o fueron expulsados ​​del sistema, "Christoph Mordasini de la Universidad de Berna y coautor del artículo de investigación describe los procesos simulados. Los sistemas planetarios simulados finalmente tuvieron planetas de diferentes tamaños, masas y composiciones en diferentes órbitas alrededor de la estrella central.

Hubert Klahr, jefe del grupo de trabajo sobre la teoría de la formación de planetas en MPIA, explica:"Tales simulaciones apoyan la investigación de sistemas exoplanetarios, dado que los planetas como los fríos Júpiter requieren mucho tiempo para orbitar a su estrella madre en sus amplias órbitas ". Esto hace que sea difícil encontrarlos mediante la observación, por lo que la búsqueda de exoplanetas no refleja de manera realista la composición real de los sistemas planetarios. Es más probable que los astrónomos encuentren planetas de gran masa en órbitas cercanas alrededor de estrellas de baja masa. "Simulaciones, por otra parte, son, en principio, independientes de tales limitaciones, "agrega Klahr.

Las observaciones y las simulaciones no coinciden

"Queríamos verificar un hallazgo sorprendente tras las observaciones realizadas en los últimos años de que los sistemas planetarios con un Júpiter frío casi siempre contienen una super-Tierra, "dice Schlecker. A la inversa, aproximadamente el 30% de todos los sistemas planetarios en los que se forman las super-Tierras también parecen tener un Júpiter frío. Sería plausible esperar que es más probable que los planetas masivos interrumpan los sistemas planetarios durante su formación de tal manera que se obstaculice la formación de otros planetas. Sin embargo, estos Júpiter fríos parecen estar lo suficientemente lejos de los interiores, de modo que su influencia en el desarrollo parece ser bastante pequeña.

Sin embargo, la evaluación de los sistemas planetarios simulados no pudo confirmar esta tendencia. Solo un tercio de todos los Júpiter fríos estaba acompañado por al menos una súper Tierra. Es más, Los astrónomos encontraron un Júpiter frío en solo el 10% de todos los sistemas planetarios sintéticos con súper-Tierras. Por lo tanto, las simulaciones muestran que tanto las super-Tierras como los Júpiter fríos tienen solo un poco más de probabilidad de ocurrir juntos en un sistema planetario que si aparecieran solos. Los científicos atribuyen este resultado a varias razones.

Una explicación tiene que ver con la velocidad a la que los planetas gaseosos migran gradualmente hacia adentro. La teoría de la formación de planetas parece predecir tasas más altas de lo observado, lo que lleva a una mayor acumulación de gigantes gaseosos en órbitas de distancia intermedia. En las simulaciones, estos "Júpiter cálidos" interfieren con las órbitas internas y hacen que más súper-Tierras sean expulsadas o incluso colisionen en colisiones gigantescas. Con una tendencia ligeramente menor de los planetas gaseosos simulados a migrar, más de las super-Tierras permanecerían, que sería más compatible con las observaciones.

Las simulaciones predicen descubrimientos futuros

Ahora, las observaciones solo distinguen aproximadamente entre diferentes tipos de supertierras, porque su caracterización exacta requeriría medidas precisas que difícilmente son posibles con los instrumentos actuales. En las simulaciones del grupo Bern-Heidelberg, sin embargo, esto se logra trazando la trayectoria de un planeta dentro del disco protoplanetario y sus encuentros con otros planetas. "Encontramos un exceso significativo de sistemas planetarios que contienen tanto un Júpiter frío como al menos una supertierra seca, es decir., con poca agua o hielo, y una fina atmósfera a lo sumo, ", Señala Schlecker. Una comparación con los datos de observación es difícil, debido a los aproximadamente 3200 sistemas planetarios conocidos hasta la fecha, solo 24 han demostrado ser comparables con tal constelación. Sin embargo, los resultados disponibles están de acuerdo. Por otra parte, Apenas existen sistemas planetarios en los que existan supertierras con una alta proporción de hielo y un Júpiter frío simultáneamente.

Con base en estos hallazgos, Los astrónomos de este estudio han desarrollado un escenario que podría explicar la formación de estos tipos de sistemas planetarios tan diferentes. Como muestran las simulaciones, la constelación final está determinada principalmente por la masa del disco protoplanetario, es decir., la cantidad de material disponible para la acumulación de planetas.

En discos de masa media no hay suficiente material en el interior, región cálida para producir super-Tierras. Al mismo tiempo, la cantidad también es demasiado pequeña en las partes exteriores más allá de la línea de nieve, donde el agua está presente en forma congelada y la proporción de trozos de hielo es bastante grande, para formar planetas masivos como Júpiter. En lugar de, el material allí se condensa en supertierras con una alta proporción de hielo con una posible envoltura de gas extendida. Estas supertierras migran gradualmente hacia adentro. A diferencia de, hay suficiente material en discos masivos para formar planetas rocosos similares a la Tierra a distancias moderadas de la estrella central y planetas gigantes fríos más allá de la línea de nieve. Estos planetas rocosos son pobres en hielo y gas. Fuera de la órbita del frío Júpiter, se pueden formar super-Tierras ricas en hielo, pero su migración en dirección radial está limitada por la influencia del planeta gigante. Por lo tanto, no pueden entrar en el interior, zona cálida.

Verificar la predicción solo es posible en unos pocos años

Sin embargo, it will only be possible to verify this concept with powerful telescopes such as the Extremely Large Telescope (ELT) of the European Southern Observatory or the James Webb Space Telescope (JWST). Both are expected to be operational within this decade. "Theoretical predictions must be able to fail in the face of empirical experience, " Schlecker demands. "With the next-generation instruments that are about to be deployed, we will be able to test whether our model will hold up or whether we have to go back to the drawing boards."

En principio, this result could also apply to such dry rocky planets, which have roughly the size and the mass of the Earth. Entonces, it might not be a coincidence that the solar system contains a planet like Jupiter as well as Earth. Sin embargo, the measuring devices available today are not sensitive enough to reliably detect such Earth twins in large numbers by means of observations. Por esta razón, astronomers must currently still largely confine themselves to studying the Earth's massive counterparts. Only with the ELT and the JWST can we expect progress in this direction.