¿Qué es el torque de polvo y cómo influye en la formación de los planetas?

Una investigación internacional en la que participó un académico de la Facultad de Ingeniería y Ciencias UAI, estudió la migración de los planetas pequeños cuando experimentan cambios en sus órbitas debido a interacciones con el material del disco protoplanetario que los rodea. Esto permitió entender que efectivamente el polvo sí influye en la migración de planetas pequeños, afectando así a su formación.

El profesor Pablo Benítez, doctor en astronomía y académico de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Universidad Adolfo Ibáñez, en conjunto con investigadores en el Instituto de Astrofísica de La Plata, Núcleo Milenio de Formación Planetaria, ANID, Niels Bohr International Academy y School of Natural Sciences, Institute for Advanced Study, presentó este año un estudio para determinar la importancia del torque de polvo en la migración de los planetas. Esta migración consiste en que los planetas se mueven en el disco protoplanetario mientras se forman, lo que puede ocasionar que cambien su tamaño y composición.

Los discos protoplanetarios son estructuras de gas y polvo que rodean a estrellas jóvenes y  es el lugar en el que comienzan a formarse los planetas. Si bien ya se ha analizado la influencia del gas en la migración, en esta ocasión se determinó por primera vez cómo podrían influir los sólidos en este proceso. Para ello, se utilizaron mediciones sistemáticas de los torques ejercidos por el polvo sobre un planeta embebido, es decir, un planeta en formación que está inmerso en un disco de gas y polvo que rodea a una estrella joven. Esto fue posible a partir de la investigación realizada en 2018 por el profesor Benítez-Llambay y Pessah quienes, con el fin de producir modelos de formación planetaria más precisos, utilizaron las ecuaciones de la hidrodinámica para cuantificar el torque ejercido por el polvo.

“Las ecuaciones de la hidrodinámica fueron resueltas durante mi trabajo en el Instituto Niels Bohr en Copenhague, Dinamarca, en 2018. En aquel momento, encontramos que el polvo era capaz de ejercer fuerzas no despreciables sobre planetas en formación, con el potencial de cambiar el sentido en el cual pueden migrar en el disco mientras se están formando. En este nuevo trabajo hemos aplicado los resultados obtenidos en 2018 a modelos de disco globales más detallados para evaluar el impacto que el polvo tiene realmente sobre la migración”, señala Benítez.

En este nuevo trabajo, además se consideró la termodinámica para comprender el tipo de perturbaciones, o cambios de órbitas, que se desarrollan en la región de corrotación, que es donde las partículas en el disco giran en torno a la estrella central a la misma velocidad angular que el planeta. “La temperatura puede cambiar debido a la expansión o compresión del gas por la fuerza gravitatoria del planeta, o calor emitido por el planeta en crecimiento. También puede cambiar debido a la propagación y posterior disipación de ondas de densidad generadas por el planeta. Los modelos isotermos asumen que la temperatura no cambia en el tiempo. Por el contrario, modelos no isotermos son más autoconsistentes con las perturbaciones generadas por el planeta”, señala Benítez.

Cómo el torque de polvo puede favorecer la formación de planetas gigantes

En este trabajo se estudió la migración tipo I, que es cuando los planetas pequeños experimentan cambios en sus órbitas debido a interacciones con el material del disco protoplanetario que los rodea. Esto permitió entender que efectivamente el polvo sí influye en la migración de planetas pequeños, afectando así a su formación.

“Las interacciones gravitatorias entre el disco de gas y polvo y el planeta generan una fuerza sobre el planeta. La fuerza resultante generada puede impulsar a este embrión planetario a migrar hacia el exterior”, explica Benítez.

El estudio demostró que la fuerza total ejercida sobre un planeta puede ser positiva y revertir la migración hacia adentro de planetas cuya masa es menor que 10 veces la masa de la Tierra. Esto quiere decir que el torque de polvo puede generar que estos planetas se muevan hacia afuera o detengan su migración en lugar de acercarse más a su estrella.

“Nuestro estudio se enfoca en planetas de baja masa porque en ese rango de masas el efecto de los sólidos es dominante. Sin embargo, ya que los planetas crecen “alimentándose” del material del disco, estos planetas pequeños podrían ser los precursores de planetas mucho más grandes, cómo Júpiter o Saturno en nuestro Sistema Solar. Por lo tanto, aunque estudiemos protoplanetas de baja masa, nuestros resultados tienen implicaciones para la formación y evolución de planetas gigantes”, concluye Benítez.