El perillós Sistema Solar, els exoplanetes i la formació planetària

halley

Cometa Halley, 1910. Font: Wikipedia.

Explicar l’origen dels planetes, incloent-hi la llar que ens acull, la Terra —el tercer món d’un sistema planetari que orbita al voltant de l’estrella anomenada Sol—, és un dels grans reptes pendents per al coneixement humà. Si hi pensem bé, ja hem invertit segles d’investigació en l’estudi persistent dels planetes del Sistema Solar. No obstant això, és avui que la humanitat està descobrint la veritable complexitat darrere d’una de les més simples i bàsiques de les preguntes: Com va néixer el nostre món?

 

Durant els darrers segles hem vist néixer una infinitat de teories de formació de planetes. Hem descobert desenes de nous satèl·lits naturals al voltant de Júpiter, Saturn, Urà i Neptú i, per si no n’hi hagués prou, vam ser testimonis del dia en què la Lluna va passar de ser un inabastable llum de nit a una veritable destinació turística.

Darrerament, l’exploració espacial i l’astronòmica ens han informat de l’existència de llocs fascinants en els planetes veïns, que suggereixen paisatges fantàstics. Indrets com Venus, planeta germà de la Terra per la seva grandària similar i proximitat d’òrbita, considerat un bell estel, ara sabem que en la seva superfície es pateix una foscor gairebé absoluta, cobert constantment de densos núvols que en mantenen la llum allunyada. Aquests mateixos núvols groguencs conserven la calor atrapada produint temperatures extremes, intolerables per a l’ésser humà, a més de nivells de pressió atmosfèrica tan alts que desencadenen pluges de metalls pesants en estat líquid. D’altra banda, ara sabem de l’existència d’innombrables asteroides als afores del Sistema Solar, amb domicili més enllà de l’òrbita de Neptú (de fet, aquests objectes els anomenem «objectes trans-neptunians»), amb diàmetres que varien des d’uns pocs metres fins a milers de quilòmetres, alguns tan grans com alguns continents a la Terra. Plutó, per exemple, és el primer objecte trans-neptunià descobert. Si bé la majoria d’aquests objectes existeixen en ressonància amb l’òrbita de Neptú i es mantenen a una distància constant de la Terra, n’hi ha alguns de més inestables que són capaços de caure cap a l’interior del Sistema Solar i topar amb qui es posi en el seu camí —incloent-hi el nostre planeta Terra. Imagineu rebre un visitant de roca procedent dels indrets més recòndits de la mida de Barcelona o més.

A mesura que el nostre coneixement augmenta, el Sistema Solar, aquell que solia ser un arquetip de regularitat i calma celestial, s’ha transformat en un lloc perillós, desordenat, amb una complexitat i uns misteris que fins fa ben poc ignoràvem.

Fins fa poc temps només podíem estudiar l’origen dels planetes basant-nos en el que pensàvem que era un únic i familiar exemple: el nostre Sistema Solar. En aquell moment, la idea darrere de la formació d’un planeta era força simple, principalment a causa de la manca de dades. El 1995, observacions d’una estrella a la constel·lació de Pegàs van canviar per sempre el nostre paradigma planetari. El descobriment de 51 Pegasi, primer planeta detectat en òrbita al voltant d’una estrella diferent al Sol, va treure el Sistema Solar, un dia considerat únic en la seva classe, del seu setial a la Galàxia. Aquests planetes en òrbita al voltant d’altres estrelles, i per tant no pertanyents al Sistema Solar, es van anomenar exoplanetes. En qüestió de mesos es van identificar uns quants altres sistemes planetaris externs. Després d’alguns anys, ja eren gairebé cent els nous mons que entraven al nostre mapa estel·lar. Avui dia (agost del 2014) ja hi ha més de 1800 exoplanetes confirmats en òrbita al voltant d’estrelles del nostre veïnat galàctic. Més encara, hi ha milers de deteccions possibles que queden per confirmar dins la nostra Galàxia, la Via Làctia.

El més interessant d’aquesta nova multiplicitat de mons és l’àmplia gamma de configuracions, mides, distàncies i colors amb què se’ns presenten aquests nous exoplanetes i les seves estrelles. Aquesta varietat de sistemes planetaris reflecteix una gran i profunda complexitat en el procés de naixement dels planetes que abans no coneixíem.

 

Però, tornem a la pregunta principal: Com es van formar els planetes? De fet, el procés de formació planetària (creiem que) és un resultat natural del procés de formació d’estrelles. Llavors, primer cal preguntar-se: Com es forma un estel?

Imagineu un núvol gegantí establert a la Galàxia, una massa formada principalment de molècules d’hidrogen i en menor mesura per pedretes diminutes (pols) i altres molècules més complexes. Aquest núvol és gravitacionalment inestable i col·lapsa sobre si mateix, a causa del seu propi pes, produint petites masses o grumolls encara més densos, que procediran comprimint encara més fins a esdevenir estrelles. A causa de la quantitat de moviment inicial del núvol i la seva simetria esfèrica rotacional, el resultat d’aquest col·lapse és la formació d’una estrella envoltada per un disc de gas i pols. Fins aquí el procés ha trigat no més d’uns cent mil anys terrestres. Ara, l’estrella acabada de néixer, ja capaç de produir radiació utilitzant l’eficiència de la fusió nuclear, comença a brillar. L’estrella continua guanyant massa extraient-la del disc per uns deu milions d’anys més. Després d’això, el disc de gas ja s’ha dissipat empès pel vent solar emès per l’estrella acabada de formar.

La majoria dels astrònoms estan d’acord que aquest disc de gas és el que dóna origen a una gran varietat de planetes, tant rocosos com gasosos gegants. Aquesta és la raó per la qual aquests discos s’anomenen protoplanetaris. Però, compte, els planetes gasosos s’han de formar durant els primers deu milions d’anys, quan el disc és encara jove i ric en gas. Si bé el procés de formació d’estrelles és relativament simple i ben conegut, els fenòmens físics que condueixen des d’un disc protoplanetari fins a la formació de planetes està encara per ser entès.

Aconseguir observacions de sistemes planetaris extrasolars, en les seves variades etapes de formació, és un dels objectius principals de l’astrofísica actual. Fins fa uns anys l’èmfasi s’havia posat en les observacions de llum visible (òptica) i infraroja. No obstant això, els processos físics que volem testificar s’esdevenen en ambients on predominen gasos moleculars i pols que són més notoris i fàcils de detectar en la longituds d’ona més llargues. La regió d’ones mil·limètriques i submil·limètriques té un atractiu i un interès especials, perquè és aquí on es poden observar cossos freds, com ara el material protoplanetari en el veïnatge de planetes en formació. Aquest és el règim que observa, per exemple, l’Atacama Large Millimeter Array, més ben conegut com a telescopi ALMA.

ALMA, situat al pla de Chajnantor, al capdamunt dels Andes a Xile, consta d’un gran nombre d’antenes capaces de captar informació directa de diverses de les primeres etapes de formació planetària. Dels telescopis que estan formats d’un nombre d’antenes més gran que un en diem interferòmetres. ALMA, igual que qualsevol interferòmetre, combina la llum recollida per les seves antenes, per aconseguir una resolució molt alta, usualment equivalent a la d’un gran telescopi d’un diàmetre igual a la separació màxima entre les dues antenes més allunyades. En el cas d’ALMA, aquesta separació pot ser de fins a 16 quilòmetres.

Des del començament d’aquesta narrativa hem establert que la formació d’un planeta no és un procés conegut del tot. La teoria bàsica ens explica que un planeta es forma en acumular material del disc protoplanetari, en forma d’agregats de pols que comencen a créixer com una bola de neu, fins a formar nuclis de planeta d’uns quants quilòmetres de diàmetre. Aquests agregats de pols és el que anomenem planetesimals. Després, hi ha un període de compactació de l’agregat (planetesimal). Un procés que es repeteix durant milers d’anys. A mesura que la mida dels agregats de pols augmenta, fins més o menys uns quants centímetres, la velocitat de les col·lisions entre ells també augmenta, cosa que porta a un període de fragmentació i destrucció dels mateixos agregats, i això en prevé el major creixement. Llavors, com s’arriba a formar planetesimals de grandàries de l’ordre d’un metre o més? I encara més, com podem arribar a què un grup de planetesimals assoleixi la mida d’un planeta com la Terra?

Un possible mecanisme físic per a la formació de planetesimals rau en la concentració de partícules de pols en vòrtex del disc (això és ciència molt recent). En aquests llocs, les partícules senten una pressió de gas molt alta. El mateix passa a l’ull d’un tornado terrestre, per exemple. Això ens indica que, en discos protoplanetaris, la pols (planetesimals) s’ajunta al centre d’aquests tornados gegants, i això possiblement ajuda una mica el creixement de planetesimals.

alma1

 Observació real ALMA de HD142527 en color fals. Mostra els elements distintius d’aquest disc protoplanetari: el vòrtex amb concentració de pols (en vermell) i els fluxos de material possiblement canalitzats per planetes en formació. Casassus et al. 2013, publicat a la revista Nature. Fuente: ALMA.

Utilitzant ALMA s’ha aconseguit obtenir una imatge sorprenent d’un d’aquests vòrtex en un disc protoplanetari al voltant d’una estrella propera. L’estrella es diu HD 142527, es troba cap a la constel·lació del Llop i és a uns 140 «parsecs» de distància, [1] en una regió de formació estel·lar activa. Vegeu les figures 1 i 2 En aquesta observació ALMA, també es va evidenciar la presència de dos possibles planetes en formació dins del disc! Només com a curiositat us puc explicar que aquesta imatge ALMA està constituïda de dades de 16 antenes de 12 metres cadascuna, utilitzades de manera simultània per assolir la resolució necessària. En total correspon a només un parell d’hores d’observació, cosa que equival a gairebé un terabyte d’informació crua que els astrònoms hem de processar.

alma2

Impressió d’artista de HD142527. Font: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Kornmesser (ESO).

Vivim en un temps excitant. En els últims anys les noves tecnologies han posat en evidència una gran complexitat i varietat de fenòmens físics relacionats amb la formació planetària. No obstant això, encara ens falta molt per descobrir i entendre per poder ser capaços de contestar la simple pregunta: Com es va formar el nostre planeta?


[1] 1 parsec és la unitat de distància més utilitzada en astronomia galàctica i equival a 3,3 anys llum.

 

Autor: Sebastián Pérez

Font: CCCBLab

Imagen de perfil de Administrador

Administrador

Lloc web de l'agrupació astronòmica de Terrassa

You may also like...

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *


Time limit is exhausted. Please reload CAPTCHA.

Loading Facebook Comments ...
Ir a la barra de herramientas