El Sistema Solar pudo albergar varias supertierras en el pasado

Los resultados de los cálculos y simulaciones de estos científicos sugieren la posibilidad de una nueva imagen del Sistema Solar primitivo que ayudaría a responder a una serie de preguntas pendientes sobre su composición actual y la de la Tierra misma. Por ejemplo, por qué los planetas terrestres de nuestro Sistema Solar tienen masas tan relativamente bajas en comparación con los planetas que orbitan otras estrellas similares al Sol.

«Nuestro trabajo sugiere que la migración de Júpiter hacia el interior y el exterior podría haber destruido una primera generación de planetas y sentar las bases para la formación de los planetas terrestres con menos masa que nuestro Sistema Solar tiene actualmente», dice Konstantin Batygin, profesor de ciencias planetarias en Caltech. «Todo esto encaja a la perfección con otros descubrimientos recientes en la comprensión de cómo el Sistema Solar evolucionó, mientras llena algunos vacíos».

Gracias a las recientes encuestas de exoplanetas, mundos en sistemas solares diferentes al nuestro, sabemos que alrededor de la mitad de las estrellas similares al Sol en nuestro vecindario galáctico tienen planetas en órbita. Sin embargo, estos sistemas no se parecen en nada al nuestro. En nuestro Sistema Solar, muy pocos se encuentran dentro de la órbita de Mercurio; sólo hay unos cuantos escombros, probablemente asteroides cercanos a la Tierra que se movieron más hacia dentro, pero no hay planetas. Eso contrasta con lo que los astrónomos ven en la mayoría de los sistemas planetarios. Estos sistemas suelen tener uno o más planetas que son sustancialmente más masivos que la Tierra orbitando más cerca de sus soles de lo que lo hace Mercurio, pero muy pocos objetos a distancias más lejanas.

«De hecho, parece que el Sistema Solar de hoy en día no es el representante común del censo planetario galáctico. Más bien es una rareza», dice Batygin. Entonces, ¿qué es lo que ocurrió? Para el científico, «no hay ninguna razón para pensar que el modo dominante de la formación de planetas por toda la galaxia no ocurrió también aquí. Es más probable que cambios posteriores hayan alterado su composición original».

Según los investigadores, Júpiter es fundamental para comprender cómo el Sistema Solar llegó a convertirse en lo que es hoy. Su modelo incorpora un escenario conocido como el «Grand Tack», que fue planteado por primera vez en 2001 por un grupo de la Universidad Queen Mary de Londres y posteriormente revisado en 2011 por un equipo del Observatorio de Niza. Esa hipótesis dice que durante los primeros millones de años de vida útil del Sistema Solar, cuando los cuerpos planetarios aún estaban integrados en un disco de gas y polvo alrededor de un Sol relativamente joven, Júpiter se volvió tan masivo y gravitacionalmente influyente que era capaz de abrir una brecha en el disco. Y a medida que el Sol atraía el gas del disco hacia sí mismo, Júpiter también comenzó a derivar hacia adentro, como si fuera transportado en una cinta transportadora gigante.

«Júpiter habría continuado en ese cinturón, y con el tiempo se habría desplomado en el Sol si no fuera por Saturno», explica Batygin. Saturno se formó después de Júpiter pero fue arrastrado hacia el Sol a un ritmo más rápido. Una vez que los dos planetas masivos se acercaron lo suficiente, establecieron un tipo especial de relación llamada resonancia orbital, donde sus períodos orbitales eran racionales, es decir, expresables como una relación de números enteros. En una resonancia orbital 2:1, por ejemplo, Saturno completaría dos órbitas alrededor del Sol en la misma cantidad de tiempo que le llevaría a Júpiter hacer una sola. En esta relación, los dos cuerpos comenzarían a ejercer una influencia gravitatoria sobre otros.

«Esa resonancia permitió a los dos planetas abrir una brecha mutua en el disco, y empezaron a jugar a este juego en el que intercambiaban momento angular y energía entre sí, casi a un ritmo», dice Batygin. Con el tiempo, esta ida y vuelta habría causado que todo el gas entre los dos mundos fuera empujado hacia fuera, una situación que habría cambiado la dirección de migración de los planetas y enviado de vuelta hacia el exterior del Sistema Solar, algo así como un barco virando alrededor de una boya.

De acuerdo con el escenario del Grand Tack, el borde exterior de ese anillo habría sido delineado por Júpiter a medida que avanzaba hacia el Sol en su cinta transportadora y despejaba un hueco en el disco para la órbita actual de la Tierra. Pero, ¿qué pasa con el borde interior? Batygin cree que la respuesta podría estar en supertierras primordiales. El agujero vacío del Sistema Solar interior corresponde casi exactamente al barrio orbital donde las supertierras son típicamente encontradas alrededor de otras estrellas. Por tanto, los investigadores especulan que esta región fue despejada en el Sistema Solar primordial por un grupo de planetas de primera generación que no sobrevivieron.

Los cálculos y simulaciones de Batygin y Laughlin muestran que Júpiter se movió hacia el interior, sacó a todos los planetesimales que encontró en el camino a resonancias orbitales y los llevó hacia el Sol. Pero a medida que los planetesimales se acercaban al Sol, sus órbitas se convirtieron también en elípticas. Esas nuevas órbitas más alargadas causaron que los planetesimales, la mayoría en el orden de 100 kilómetros de radio, fueran barridos a regiones previamente impenetradas del disco, lo que desencadenó una cascada de colisiones entre los escombros. De hecho, los cálculos de Batygin muestran que durante este período, todos los planetesimales habría colisionado con otro objeto, al menos, una vez cada 200 años, rompiéndolos violentamente y enviándolos hacia el Sol a un ritmo mayor.

Los investigadores hicieron una simulación final para ver lo que le habría sucedido a una población de supertierras en el interior del Sistema Solar si hubieran estado allí cuando comenzó esta cascada de colisiones. El modelo predice que las supertierras fueron conducidas hacia el Sol por un alud en descomposición de planetesimales durante un período de 20.000 años.

Batygin señala que cuando Júpiter viró alrededor, una fracción de los planetesimales que llevaba con él habría aplacado en órbitas circulares. Sólo alrededor del 10 por ciento del material arrastrado por Júpiter tendría que quedarse atrás para dar cuenta de la masa que ahora compone Mercurio, Venus, la Tierra y Marte.

A partir de ese punto, se necesitarían millones de años para que esos planetesimales se agrupen y finalmente formen los planetas terrestres, un escenario que encaja muy bien con las mediciones que sugieren que la Tierra se formó desde 100 hasta 200 millones años después del nacimiento del Sol. Como el disco primordial de hidrógeno y gas helio habría desaparecido hace mucho tiempo, esto también podría explicar por qué la Tierra carece de una atmósfera de hidrógeno. «Nos formamos de estos desechos volátiles agotados», dice Batygin.

Y eso nos diferencia de la mayoría de los exoplanetas. Batygin cree que la mayoría de los exoplanetas -que en su mayoría son supertierras- tienen atmósferas sustanciales de hidrógeno, porque se formaron en un punto en la evolución de su disco planetario cuando el gas todavía habría sido abundante. «En última instancia, esto significa que los planetas verdaderamente similares a la Tierra no son muy comunes», dice.

El documento también sugiere que la formación de planetas gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno -un proceso que los científicos planetarios creen que es relativamente raro- juega un papel importante en la determinación de si un sistema planetario termina siendo algo así como el nuestro o más parecido a los sistemas típicos con supertierras.