Una nueva teoría para explicar cómo llegaron los gigantes gaseosos del Sistema Solar a su ubicación implica un quinto planeta gigante desconocido acechando a 80.000 millones de kilómetros del Sol.
"Nuestro sistema solar no siempre se ha visto como lo hace hoy. A lo largo de su historia, las órbitas de los planetas han cambiado radicalmente", expone en un comunicado el profesor Seth Jacobson de la Universidad Estatal de Michigan. "Pero podemos averiguar qué ha pasado".
La investigación, publicada en la revista Nature el 27 de abril, ofrece una explicación de lo que les sucedió a los gigantes gaseosos en otros sistemas solares y en el nuestro, concretamente Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.
Las estrellas nacen de nubes masivas y arremolinadas de gas y polvo cósmico. Una vez que nuestro sol se activó, el sistema solar primitivo todavía estaba lleno de un disco primordial de gas que desempeñó un papel integral en la formación y evolución de los planetas, incluidos los gigantes gaseosos.
A fines del siglo XX, los científicos comenzaron a creer que los gigantes gaseosos inicialmente giraban alrededor del sol en órbitas ordenadas, compactas y uniformemente espaciadas. Júpiter, Saturno y los demás, sin embargo, hace tiempo que se establecieron en órbitas que son relativamente oblongas, torcidas y extendidas.
Entonces, la pregunta para los investigadores ahora es "¿Por qué?"
En 2005, un equipo internacional de científicos propuso una respuesta a esa pregunta en un trío de artículos históricos de Nature. La solución se desarrolló originalmente en Niza, Francia, y se conoce como el modelo de Niza. Postula que hubo una inestabilidad entre estos planetas, un conjunto caótico de interacciones gravitacionales que finalmente los colocó en sus caminos actuales.
"Este fue un cambio tectónico en la forma en que la gente pensaba sobre el sistema solar primitivo", dijo Jacobson.
El modelo de Niza sigue siendo una explicación principal, pero en los últimos 17 años, los científicos han encontrado nuevas preguntas sobre qué desencadena la inestabilidad del modelo de Niza.
Por ejemplo, originalmente se pensó que la inestabilidad del gigante gaseoso tuvo lugar cientos de millones de años después de la dispersión de ese disco de gas primordial que dio origen al sistema solar. Pero la evidencia más reciente, incluidas algunas encontradas en rocas lunares recuperadas por las misiones Apolo, sugiere que sucedió más rápido. Eso también plantea nuevas preguntas sobre cómo evolucionó el sistema solar interior que alberga la Tierra.
Trabajando con Beibei Liu de la Universidad de Zhejiang en China y Sean Raymond de la Universidad de Burdeos en Francia, Jacobson ayudó a encontrar una solución que tiene que ver con cómo comenzó la
inestabilidad. El equipo ha propuesto un nuevo disparador.
"Creo que nuestra nueva idea realmente podría relajar muchas tensiones en el campo porque lo que hemos propuesto es una respuesta muy natural a cuándo ocurrió la inestabilidad del planeta gigante", dijo Jacobson.
La idea comenzó con una conversación que Raymond y Jacobsen tuvieron en 2019. Ellos teorizaron que los gigantes gaseosos podrían haber seguido sus caminos actuales debido a cómo se evaporó el disco de gas primordial. Eso podría explicar cómo los planetas se extendieron mucho antes en la evolución del sistema solar de lo que postulaba originalmente el modelo de Niza y tal vez incluso sin la inestabilidad para empujarlos allí.
"Nos preguntábamos si el modelo de Niza era realmente necesario para explicar el sistema solar", dijo Raymond. "Se nos ocurrió la idea de que los planetas gigantes posiblemente podrían expandirse por un efecto de 'rebote' a medida que el disco se disipaba, tal vez sin volverse inestable".
Luego, Raymond y Jacobsen se acercaron a Liu, quien fue pionero en esta idea del efecto rebote a través de extensas simulaciones de discos de gas y grandes exoplanetas (planetas en otros sistemas solares) que orbitan cerca de sus estrellas.
"La situación en nuestro sistema solar es ligeramente diferente porque Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno están distribuidos en órbitas más amplias", dijo Liu. "Después de algunas iteraciones de sesiones de lluvia de ideas, nos dimos cuenta de que el problema podría resolverse si el disco de gas se disipara de adentro hacia afuera".
El equipo descubrió que esta disipación de adentro hacia afuera proporcionó un desencadenante natural para la inestabilidad del modelo de Niza, dijo Raymond.
"Terminamos fortaleciendo el modelo de Niza en lugar de destruirlo", dijo. "Esta fue una ilustración divertida de probar nuestras ideas preconcebidas y seguir los resultados donde sea que nos lleven".
Con el nuevo disparador, la imagen al comienzo de la inestabilidad se ve igual. Todavía hay un sol naciente rodeado por una nube de gas y polvo. Un puñado de gigantes gaseosos jóvenes giran alrededor de la estrella en órbitas ordenadas y compactas a través de esa nube.
"Todos los sistemas solares se forman en un disco de gas y polvo. Es un subproducto natural de cómo se forman las estrellas", dijo Jacobson. "Pero a medida que el sol se enciende y comienza a quemar su combustible nuclear, genera luz solar, calentando el disco y eventualmente volándolo de adentro hacia afuera".
Esto creó un agujero creciente en la nube de gas, centrado en el sol. A medida que el agujero crecía, su borde atravesaba cada una de las órbitas de los gigantes gaseosos. Esta transición conduce a la inestabilidad del planeta gigante requerida con una probabilidad muy alta, según las simulaciones por computadora del equipo.
El nuevo desencadenante también conduce a la mezcla de material del sistema solar exterior y del sistema solar interior. La geoquímica de la Tierra sugiere que tal mezcla debía ocurrir mientras nuestro planeta todavía está en medio de la formación.
"Este proceso realmente va a agitar el sistema solar interior y la Tierra puede crecer a partir de eso", dijo Jacobson. "Eso es bastante consistente con las observaciones". Explorar la conexión entre la inestabilidad y la formación de la Tierra es un tema de trabajo futuro para el grupo.
Aunque el artículo del equipo no enfatiza esto, Jacobson dijo que el trabajo tiene implicaciones para uno de los debates más populares y ocasionalmente acalorados sobre nuestro sistema solar: ¿Cuántos planetas tiene?
Actualmente, la respuesta es ocho, pero resulta que el modelo de Niza funcionó un poco mejor cuando el sistema solar primitivo tenía cinco gigantes gaseosos en lugar de cuatro. Lamentablemente, según el modelo, ese planeta adicional fue arrojado desde nuestro sistema solar durante la inestabilidad, lo que ayuda a los gigantes gaseosos restantes a encontrar sus órbitas.
En 2015, sin embargo, los investigadores de Caltech encontraron evidencia de que aún puede haber un planeta sin descubrir alrededor de las afueras del sistema solar a unos 80.000 millones de kilómetros del sol, aproximadamente 75.000 millones de kilómetros más lejos que Neptuno.
Todavía no hay pruebas concretas de que este planeta hipotético, apodado Planeta X o Planeta 9, o el planeta "extra" del modelo de Niza exista realmente. Pero, si lo hacen, ¿podrían ser uno y el mismo?
Jacobson y sus colegas no pudieron responder esa pregunta directamente con sus simulaciones, pero pudieron hacer lo siguiente mejor. Sabiendo que su disparador de inestabilidad reproduce correctamente la imagen actual de nuestro sistema solar, podrían probar si su modelo funciona mejor comenzando con cuatro o cinco gigantes gaseosos.
"Para nosotros, el resultado fue muy similar si comienzas con cuatro o cinco", dijo Jacobson. "Si comienzas con cinco, es más probable que termines con cuatro. Pero si comienzas con cuatro, las órbitas terminan coincidiendo mejor".
