Antes de que el sistema solar tuviera planetas, el sol tenía anillos, bandas de polvo y gas similares a los anillos de Saturno, que probablemente desempeñaron un papel en la formación de la Tierra, según un nuevo estudio.

El astrofísico de la Universidad de Rice, Andre Isidoro, dijo, refiriéndose a planetas masivos y rocosos en los que al menos el 30% de las estrellas similares al sol se ven en nuestra galaxia.

Isidoro y sus colegas utilizaron una supercomputadora para simular la formación del sistema solar cientos de veces. Su modelo, descrito en un estudio publicado en línea en la revista Nature Astronomy, produjo anillos como los que se ven alrededor de muchas estrellas jóvenes distantes. También reprodujo muchas características del sistema solar que muchos modelos anteriores pasaron por alto, incluyendo:

El cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter contiene cuerpos del sistema solar interior y exterior.

– Las ubicaciones y órbitas estables y semicirculares de la Tierra, Marte, Venus y Mercurio.

Las masas de los planetas interiores, incluido Marte, que están sobreestimadas por muchos modelos del sistema solar.

La división entre la composición química de los cuerpos del sistema solar interior y exterior.

La región del cinturón de Kuiper de cometas, asteroides y pequeños objetos fuera de la órbita de Neptuno.

El estudio, dirigido por astrónomos, astrofísicos y científicos planetarios de Rice, Purdue University, el Southwest Research Institute en Boulder, Colorado, y el Max Planck Institute for Astronomy en Heidelberg, Alemania, se basa en las últimas investigaciones astronómicas sobre sistemas estelares infantiles.

Su modelo asume que tres bandas de alta presión se originaron dentro del disco de polvo y gas del joven sol. Tales “golpes de presión” se han observado en discos toroidales estelares alrededor de estrellas distantes, y el estudio explica cómo los golpes y anillos de presión pueden explicar la estructura del sistema solar, dijo el autor principal Isidoro, un investigador postdoctoral de Rice que tiene un Ph.D. Pasantía en la Universidad Estatal de Sao Paulo en Brasil.

“Si las super-Tierras son tan comunes, ¿por qué no tenemos una en el sistema solar?” Dijo Isidoro. “Sugerimos que los montículos de presión produjeron depósitos separados de material del disco en el sistema solar interior y exterior y regularon la cantidad de material disponible para el desarrollo planetario en el sistema solar interior”.

Ilustración de tres anillos formadores de planetas distintos que podrían haber producido planetas y otras propiedades del Sistema Solar, según un modelo computacional de la Universidad de Rice. La evaporación de silicato sólido, agua y monóxido de carbono en “líneas de sublimación” (arriba) causó “golpes de presión” en el disco protoplanetario del Sol, atrapando el polvo en tres anillos distintos. A medida que el sol se enfriaba, los golpes de presión se movían hacia el sol permitiendo que el polvo atrapado se acumulara en planetas del tamaño de un asteroide. La composición química de los objetos del anillo interior (NC) difiere de la composición de los objetos del anillo medio y exterior (CC). Los planetas menores con el anillo interior produjeron los planetas interiores del Sistema Solar (abajo), y los planetas menores de los anillos medio y exterior produjeron los planetas exteriores del Sistema Solar y el Cinturón de Kuiper (no se muestra). El cinturón de asteroides (centro superior) consta de objetos NC aportados por el anillo interior (flechas rojas) y objetos CC del anillo central (flechas blancas). Crédito Rajdeep Dasgupta

golpes de presión

Durante décadas, los científicos creyeron que el gas y el polvo en los discos protoplanetarios gradualmente se volvían menos densos y disminuían suavemente en función de la distancia a la estrella. Pero las simulaciones por computadora muestran que es poco probable que se formen planetas en escenarios de discos suaves.

“En el disco liso, todas las partículas sólidas (granos de polvo o roca) deben ser empujadas hacia adentro muy rápidamente y perderse en la estrella”, dijo la astrónoma y coautora del estudio Andrea Isela, profesora asociada de física y astronomía en Rice. “Uno necesita algo que los detenga a fin de darles tiempo para convertirse en planetas”.

Cuando las partículas se mueven más rápido que el gas que las rodea, explicó Isidoro, “sienten un viento en contra y se desplazan muy rápidamente hacia la estrella”. En los golpes de presión, la presión del gas aumenta, las moléculas de gas se mueven más rápido y las partículas sólidas dejan de sentir el viento en contra. “Esto es lo que permite que las partículas de polvo se acumulen en los golpes de presión”, dijo.

Isela dijo que los astrónomos han observado golpes de presión y anillos de discos protoplanetarios utilizando el Atacama Large Millimeter / Sub-Millimeter Array, o ALMA, un enorme radiotelescopio de 66 platos que se encargó en Chile en 2013.

“ALMA puede tomar imágenes muy nítidas de sistemas planetarios modernos que aún se están formando, y descubrimos que muchos de los discos protoplanetarios en estos sistemas tienen anillos”, dijo Isela. “El efecto del golpe de presión es que recoge partículas de polvo, por eso vemos los anillos. Estos anillos son áreas donde hay más partículas de polvo que los espacios entre los anillos”.

formación de anillo

El modelo de Isidoro y sus colegas plantea la hipótesis de que los pozos de presión se formaron en el sistema solar temprano en tres lugares donde las partículas que caen hacia el sol habrían liberado grandes cantidades de gases vaporizados.

“Es sólo una función de la distancia desde la estrella, porque la temperatura aumenta cuanto más te acercas a la estrella”, dijo el geoquímico y coautor del estudio Rajdeep Dasgupta, profesor Maurice Ewing de Ciencias de Sistemas Terrestres en Rice. “El punto donde la temperatura es lo suficientemente alta como para que el hielo se vaporice, por ejemplo, es una línea de sublimación que llamamos línea de nieve”.

En las simulaciones de Rice, los golpes de presión en las líneas de sublimación de silicatos, agua y monóxido de carbono dieron como resultado tres anillos distintos. En la línea de silicatos, el componente principal de la arena y el vidrio, el dióxido de silicio, se convirtió en vapor. Esto produjo el anillo más cercano al Sol, donde más tarde se formaron Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. El anillo del medio apareció en la línea de nieve y el anillo más externo en la línea de monóxido de carbono.

Anillos de nacimiento planetas y planetas

Los discos protoplanetarios se enfriaron con la edad, por lo que las líneas de sublimación se habían movido hacia el Sol. El estudio mostró que este proceso podría permitir que el polvo se acumule en objetos del tamaño de un asteroide llamados planetas, que luego podrían fusionarse para formar planetas. Estudios previos han asumido que se podrían formar planetas menores si el polvo estuviera suficientemente concentrado, dijo Isidoro, pero ningún modelo ha proporcionado una explicación teórica convincente de cómo se acumula el polvo.

“Nuestro modelo muestra que los montículos de presión pueden concentrar el polvo y los montículos de presión en movimiento pueden actuar como fábricas planetarias”, dijo Isidoro. “Simulamos la formación de planetas comenzando con granos de polvo y cubriendo muchas fases diferentes, desde granos de tamaño milimétrico hasta planetas menores y luego planetas”.

Cálculo de firmas químicas cósmicas, masa de Marte y cinturón de asteroides.

Varias simulaciones anteriores del sistema solar han producido versiones de Marte 10 veces la masa de la Tierra. Isidoro dijo que el modelo predice correctamente que Marte contiene alrededor del 10% de la masa de la Tierra porque “Marte nació en una región de baja masa del disco”.

El modelo también ofrece una explicación convincente de dos de los misterios cosmológicos del sistema solar: la notable diferencia entre las composiciones químicas de los cuerpos del sistema solar interior y exterior, y la presencia de cada uno de estos cuerpos en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter, Dasgupta. dicho.

La simulación de Izidoro mostró que el anillo del medio podría explicar la división química al evitar que la sustancia del sistema externo ingrese al sistema interno. Las simulaciones también produjeron el cinturón de asteroides en su posición correcta y mostraron que estaba alimentado con objetos tanto de las regiones internas como externas.

“Los tipos más comunes de meteoritos que obtenemos del cinturón de asteroides son similares a los isótopos de Marte”, dijo Dasgupta. “Andre explica por qué Marte y estos meteoritos ordinarios deben tener una composición similar. Proporcionó una respuesta precisa a esta pregunta”.

tiempo de vibración de presión y super terreno

Isidoro dijo que el retraso en la aparición del anillo central del sol en algunas simulaciones condujo a la formación de super-Tierras, lo que indica la importancia del momento de la compresión.

“En el momento en que se formó el golpe de presión en esos casos, gran parte de la masa ya había invadido el sistema interno y estaba disponible para hacer supertierras”, dijo. “Entonces, el tiempo en que se formó esta presión promedio puede ser un aspecto clave del sistema solar”.

Isidoro es investigador asociado postdoctoral en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Ambientales y Planetarias de Rice. Otros coautores incluyen a Sean Raymond de la Universidad de Purdue, Rogerio Deino del Southwest Research Institute y Bertram Beech del Max Planck Institute for Astronomy. La investigación fue apoyada por la NASA (80NSSC18K0828, 80NSSC21K0387), el Consejo Europeo de Investigación (757448-PAMDORA), la Agencia Federal Brasileña para el Apoyo y Evaluación de la Educación Superior (88887.310463 / 2018-00), la Fundación Welch (C-2035) y el Programa Nacional de Ciencias Planetarias del Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas.

Los anillos planetarios son la razón detrás de la arquitectura planetaria del sistema solar, la naturaleza de la astronomía

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