La historia del Sistema Solar o de cómo Saturno salvó a la Tierra

¿Es nuestro Sistema Solar una rareza? Hasta hace quince años pensábamos que debía ser la norma, uno más del montón. Mundos rocosos cerca del Sol y gigantes gaseosos con satélites de hielo en órbitas alejadas. Un patrón totalmente lógico. ¿Qué otra disposición podría tener un sistema planetario? Pero en 1995 comenzamos a descubrir nuevos mundos alrededor de otras estrellas y pronto nos dimos cuenta que, como suele suceder en la historia de la ciencia, las cosas son más complicadas de lo que uno pudiera esperar a primera vista. La mayoría de los exoplanetas descubiertos eran «júpiteres calientes», es decir, gigantes gaseosos que orbitan sus estrellas a muy poca distancia. A tan poca que durante algún tiempo se pensó que su existencia era imposible.


¿Es nuestro Sistema Solar único? (NASA).

De repente tuvimos que cambiar nuestra visión sobre los mecanismos de formación planetaria. La mayor parte de teorías indicaban que los planetas del Sistema Solar se habían formado en sus posiciones actuales hace 4500 millones de años y que desde entonces apenas habían modificado sus órbitas. Por supuesto, era de sentido común pensar que lo mismo habría ocurrido en otros sistemas estelares. Pero la simple existencia de los júpiteres calientes contradecía esta hipótesis tan simplista. Puesto que los gigantes gaseosos no se pueden formar tan cerca de sus estrellas, debían existir mecanismos que los acercasen progresivamente.

Pronto se propuso una explicación a este fenómeno, conocido como migración planetaria. Los planetas no nacen de la nada, sino que surgen a partir del material sobrante de la formación de su estrella, material que recibe el nombre de disco protoplanetario. Pero explicar el nacimiento de planetas en este disco no es nada sencillo. Hasta la fecha se han propuesto dos modelos contradictorios. El primero, denominado «acreción de núcleo» (core accretion), supone que los planetas se forman lentamente mediante la unión de pequeños cuerpos llamados planetesimales. Una vez adquieren una masa considerable, los futuros gigantes gaseosos empiezan a retener los gases del disco hasta alcanzar su tamaño final en un proceso que dura varios millones de años. El otro modelo, llamado «inestabilidad de disco» (disc inestability) presupone que el disco protoplanetario se divide en pequeñas zonas que se colapsan a su vez para formar planetas de manera muy parecida a como se forman las estrellas. Este modelo predice la formación de planetas gigantes y enanas marrones en poco más de mil años. Tradicionalmente, el modelo de acreción de núcleo ha sido el favorito para explicar la creación de planetas rocosos como la Tierra o gigantes de hielo como Neptuno, prefiriéndose la inestabilidad de disco para dar cuenta de Júpiter o Saturno. Sin embargo, esta división dista de estar nada clara y cada vez más científicos invocan el modelo de acreción de núcleo para explicar la existencia de planetas de la masa de Júpiter, siempre y cuando no se hayan formado muy lejos (más de 50 UA) del Sol.


Representación artística de un júpiter caliente (ESO).

Una vez los planetas están en su sitio, la migración planetaria dará comienzo y seguirán una trayectoria en espiral hacia su estrella por culpa de dos mecanismos diferentes. El primero se llama migración de Tipo I y es el más intuitivo. El gas y el polvo del disco «frenan» el movimiento del planeta y, como resultado, éste tiende a orbitar cada vez más cerca (en realidad el fenómeno es mucho más complejo, ya que hay que tener en cuenta la interacción gravitatoria con el disco, los efectos de las ondas de densidad, turbulencias, etc., pero el concepto de «frenado» nos sirve para hacernos una idea). La migración de Tipo II, por contra, es más sutil y surge al tener en cuenta la influencia gravitatoria en el disco de un planeta gigante ya formado. En este caso, el planeta orbitará su estrella en una zona del disco relativamente «limpia», pero la interacción gravitatoria con las zonas interior y exterior provocarán que se vaya acercando a la estrella a medida que el disco interior desaparece por la acción de la presión de radiación de la luz y los vientos estelares de la estrella. La migración de Tipo II es mucho más lenta que la de Tipo I y suele ser la preferida para explicar la presencia de júpiteres calientes en otras estrellas.


Migración planetaria (Nature).

Y aquí está el quid de la cuestión. ¿Por qué Júpiter no terminó cerca del Sol destruyendo todos los planetas rocosos -incluida la Tierra- a su paso? Por ahora nadie lo sabe con seguridad, pero todo apunta a que la explicación está en Saturno. Efectivamente, se cree que nuestro gigante anillado nació mucho más lejos del Sol de lo que está ahora. Después de formarse, los mecanismos de migración de Tipo I acercaron la órbita de Saturno hacia el Sol más rápidamente que Júpiter debido a su menor masa. Una vez que su distancia orbital llegó a ser el doble que la de Júpiter, los dos planetas entraron en lo que se conoce como resonancia 2/3. Es decir, por cada tres vueltas de Júpiter alrededor del Sol, Saturno daba dos. El resultado fue que la interacción gravitatoria de Saturno evitó que Júpiter continuase descendiendo hacia el Sol, salvando en el proceso los planetas del Sistema Solar interior.

O lo que es lo mismo, debemos nuestra existencia a Saturno. No es de extrañar que sea el planeta favorito de la mayoría de aficionados a la astronomía.


Gracias a Saturno estás leyendo este blog (NASA).

Pero no debemos pensar que sólo hace falta tener un planeta como Saturno para evitar que un sistema estelar sea pasto de los terroríficos júpiteres calientes. Lo cierto es que nadie sabe con exactitud por qué Saturno se acercó al Sol mucho más rápidamente que Júpiter, pero la mayoría de expertos está de acuerdo en que los procesos de formación de los dos gigantes gaseosos tuvieron que ser bastante diferentes. En concreto, Saturno tuvo que crecer mucho más lentamente que su hermano mayor por motivos aún nada claros. O lo que es lo mismo, en otros sistemas planetarios donde los gigantes gaseosos hayan sufrido procesos de formación similares, el resultado final seguiría siendo una estrella con uno o dos júpiteres calientes.

Por otro lado, los modelos de resonancia sugieren que el material del disco protoplanetario exterior debería ser recogido (acretado) por Saturno al caer hacia la estrella. Aquí tenemos otro enigma, ya que entonces Saturno debería haber terminado siendo más grande que Júpiter. La explicación más plausible es que ambos planetas terminaron de formarse justo cuando el disco protoplanetario estaba en proceso de disipación. Primero se habría formado Júpiter, seguido de Saturno, Urano y Neptuno. Si Júpiter y Saturno se hubiesen formado antes, la interacción con el disco habría causado una migración de ambos planetas hasta el Sistema Solar interior -a semejanza del sistema GJ876- o el encuentro y posterior expulsión de uno de los dos mundos al exterior del sistema.

Seguro que te habrás encontrado en alguna ocasión con la «hipótesis de la Tierra rara». Según esta teoría, los planetas como la Tierra deben ser muy poco abundantes en el Universo, ya que es necesaria una serie de coincidencias cósmicas para explicar la existencia de nuestro planeta. Por ejemplo, si Júpiter no fuese tan masivo, los cometas y asteroides habrían impactado contra la Tierra con mucha mayor frecuencia, impidiendo la aparición de la vida. Pues bien, hora sabemos además que otro elemento importante para tener un Sistema Solar como el nuestro es la existencia de un mundo similar a Saturno. ¿Esto convierte a nuestro Sistema Solar en una rareza? Todavía es pronto para estar seguros, pero bien podría ser así. De todas formas, conviene recordar que aunque sólo una pequeña fracción de estrellas de tipo solar (tipos espectrales FGK) tuviesen sistemas parecidos al nuestro, estaríamos hablando de millones de sistemas sólo en nuestra galaxia.

La resonancia entre Júpiter y Saturno no sólo explica que se detuviesen los procesos de migración planetaria. Existen evidencias que sugieren que ambos planetas gigantes se volvieron a alejar con el tiempo hasta ocupar sus órbitas actuales, «empujando» a Urano y Neptuno hacia el exterior del Sistema Solar en el proceso.


Evolución de la distancia de los planetas según dos modelos de formación del Sistema Solar. El modelo de la derecha es el favorito actualmente. De acuerdo con el mismo, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno se formaron más cerca del Sol. Júpìter y Saturno migraron hacia el interior, pero luego volvieron a alejarse, arrastrándose en el proceso a Urano y Neptuno (Morbidelli).


Variación del perihelio y el afelio de los planetas exteriores con el tiempo según una simulación. Destaca un periodo de enorme inestabilidad (Morbidelli).

Estos mecanismos migratorios deben ser comunes en otros sistemas planetarios, pero probablemente en muchos de ellos el resultado final ha sido muy distinto. En efecto, si los cuatro planetas gigantes del Sistema Solar hubiesen entrado en resonancia mutua, la excentricidad de las órbitas habría variado violentamente con el tiempo, provocando encuentros cercanos entre los planetas. Finalmente, todos los planetas gigantes excepto Júpiter habrían sido expulsados del Sistema Solar y éste permanecería con una órbita fuertemente excéntrica. Precisamente, este patrón es el que observamos actualmente en muchos sistemas exoplanetarios.

Y no es que estas carambolas planetarias no afectasen a la Tierra. Al contrario. Todo el Sistema Solar interior está repleto de pruebas que apuntan a que algo terrible ocurrió hace 3900 millones de años. Los impactos de asteroides y cometas aumentaron dramáticamente durante un periodo de 20 o 200 millones de años, dejando enormes cicatrices en la Luna y en todos los planetas rocosos con excepción de la Tierra, donde la erosión ha borrado las huellas de este cataclismo. Este episodio de violencia inaudita se denomina el Bombardeo Tardío (Late Heavy Bombardment, LHB) y no tienes más que fijarte en las manchas oscuras de la Luna (los «mares») para ver sus efectos a simple vista. Hasta hace poco, el LHB se interpretaba como los últimos coletazos de los procesos de formación planetaria, pero ahora parece que fue resultado directo del periodo de inestabilidad en las órbitas planetarias que estuvo a punto de desintegrar nuestro Sistema Solar. Según esta nueva teoría, la mayoría de cometas y asteroides que colisionaron con los planetas interiores durante el LHB procederían de zonas exteriores a la órbita de Neptuno, lo que hoy en día se conoce como el Cinturón de Kuiper.


La expulsión de Neptuno hacia el exterior del Sistema Solar fue una de las causas del Bombardeo Tardío (Nature).

Además, el movimiento de los planetas gigantes explicaría porque Marte es tan pequeño. Si Júpiter se formó más cerca de su posición actual y luego migró aún más adentro del Sistema Solar interior hasta alcanzar 1,5 UA, las perturbaciones gravitatorias impedirían que el planeta rojo aumentase su masa como predicen los modelos de formación con órbitas estáticas. Si esta hipótesis es correcta, el cinturón de asteroides tuvo que ser parcialmente destruido durante la primera migración interna de Júpiter, para volverse a formar una vez el planeta gaseoso llegó a su distancia actual. Si esto fuese cierto, la parte exterior del cinturón debería estar formada por cuerpos con alto contenido en hielos que se crearon a una distancia superior a la órbita de Júpiter (asteroides de tipo C), mientras que la parte interior la compondrían los asteroides rocosos y metálicos de tipo S. Y precisamente esto es lo que observamos en la actualidad. De paso, este escenario explicaría por qué los asteroides de tipo C del cinturón son tan similares a los cometas que se encuentran a distancias mucho mayores.


El movimiento de planetas a lo largo del tiempo ha movido los asteroides y cometas del Sistema Solar (Morbidelli).

Como vemos la historia del Sistema Solar dista de ser simple, aunque para desentrañarla hemos tenido que descubrir primero cientos de planetas extrasolares. ¿Es nuestro Sistema Solar un bicho raro? No lo sabemos con certeza, pero podemos asegurar que no es uno más del montón.

Referencias:



40 Comentarios

  1. Gran post Daniel, como siempre.
    Realmente interesante toda la historia de la formación del Sistema Solar. Me acaba de picar la curiosidad, creo que me va a salir un verano de lecturas astronómicas xDD
    Gracias por estos aportes!!

    Saludos.

  2. Muy interesante el artículo, de verdad.
    No estoy de acuerdo con lo que indica Anónimo; la mente en blanco no es el mejor estado; con los comentarios de Daniel, me vienen a la mente, en base a los conocimientos adquiridos sobre la materia (aunque sean a nivel muy básico), posibles nuevos análisis con los que se puede avanzar o llegar a un estado en el que se demuestre que todo lo desarrollado en este aspecto es incorrecto.
    Por ejemplo, cuando Daniel comenta los dos modelos contrapuestos de creación de plantas (acreción del núcleo e inestabilidad de disco), me imaginado mentalmente cómo podrían ser ambos modelos. Inconscientemente me he decantado por la inestabilidad del disco (puedo perfectamente estar en la decisión equivocada)e imagino que el disco protoplanetario se divide en pequeñas zonas, simplemente porque no lo veo como un disco completamente homogéneo, y es por la propia inestabilidad por la que se crean nuevos cuerpos que in-estabilizan más aún el conjunto y se van creando los nuevos plantes.
    Con esta idea se me ocurren algunas posibles respuestas a ¿por que creció más lento Saturno que Júpiter? pues creo que la respuesta está en la longitud de total de los discos donde se forman los plantas: ante una distancia mayor del sol, saturno tarda más en recorrer su órbita y a su vez ir recogiendo el material del disco protoplanetario.
    También me viene a la mente una respuesta de por qué tiene un tamaño menor Marte por ejemplo que la tierra; puedo pensar que la masa tan superior de Júpiter hizo que se ampliara el disco más allá y quién sabe, quizá se «tragara» otros protoplantetas intermedios o se unieran como nuevos satélites de mismo.

    Enhorabuena por la entrada.

  3. Sí ,seguro q fué Saturno el planeta regido por satán?el q tienen en uno de sus polos el hexagono?seguro que debemos nuestra existencia a Saturno?¿estas seguro ?

  4. Ernesto, «mente en blanco» sólo para lo que es enteramente nuevo, si prefieres en vez de mente en blanco, «prejuicios fuera». Es que si no, ante una carencia de datos empíricos lo único que vamos a hacer son razonamientos circulares que no van a ninguna parte, sólo a reforzar prejuicios previos. Las grandes revoluciones del conocimiento científico casi sin excepción se basaron con la total ruptura de un cúmulo de prejuicios que habían obturado el avance (biología, física del éter, geología, química, medicina en varios campos, etc.etc.). Razonar por analogía desde muy pocos datos también es enormemente peligroso, porque nos lleva a ponderar mal los (pocos) datos disponibles.

    Cierto que en casos excepcionales (en campos menos generalistas) a veces un grupo de investigadores llega a ver a partir de pocos datos el camino correcto, pero aparte de ser raro, la forma que tienen de llegar es precisamente cortando radicalmente con toda una serie de paradigmas de segunda clase que rodean al problema.

    Lo cierto es que sabemos nada de nada, y con todo lo que hemos aprendido, que nos sitúa varios niveles por encima de las pobres conjeturas a las que se tenían que limitar antes de 1980, seguimos sin saber nada de nada. La auténtica forma de crearse sistemas planetarios bien podría ser totalmente distinta de cualquier cosa que podamos imaginar ahora mismo (de la misma manera que los geólogos no podían imaginar ni concebir algo como la tectónica de placas, ni estando ante nuestra vista nadie antes del siglo XIX avanzó la evolución como mecanismo regulador de la biodiversidad, etc.). De ahí que me reafirme en que, sin prejuicio de cualquier discusión académica, siempre será mejor la respuesta «no lo sé / no se sabe» que meter prejuicios con calzador.

    Ahora mismo rige la idea de migraciones orbitales porque nadie encuentra otra explicación al hecho pelado de que hay planetas gigantes gaseosos en órbitas (hasta ahora) inverosímiles. Pero la respuesta al enigma podría ser bien otra (sin olvidar muchos casos de revoluciones retrógradas que siguen siendo un verdadero quebradero de cabeza).

  5. Mi calificación sobre la definición y desarrollo sintáctico de éste tema es «sin palabras». Los contenidos se encuentran claros. Gracias a mi IGNORANCIA he suseptibilizado en el pasado, osadamente,a quién o quienes la estudian y desarrollan . En adelante no lo repetiré.

  6. ¡Estupenda entrada Daniel! Explica prácticamente la mayoría de los sistemas extrasolares que conocemos. Había leído que Urano se formó más lejos del Sol que Neptuno, pero cuando Júpiter y Saturno se alejaron del Sol, los dos primeros cambiaron de lugar. ¿Es posible algo tan complicado? Por cierto, llevo años siguiendo tu blog y por primera vez me encontré un error de dedo: escribiste «Júìter». ¡Bien! Eso demuestra que sí eres humano 😉

  7. Quiero corregir en mi comentario anterior la frase: «Gracias a mi ignorancia he suseptibilizado en el pasado, osadamente,a quién o quienes la estudian y desarrollan». He querido decir: «Gracias a mi ignorancia he susceptibilizado, osadamente, a quién o quienes la estudian y desarrollan».
    He dicho.

  8. Muchas gracias por el articulo Daniel es de un nivel bastante alto y muy entendible para todos, faltan más descubrimientos y encontrar y analizar más sistemas planetarios pero si es cierto que todo parece ir apuntando a que nuestro sistema se sale de lo «standard» seria una autentica decepción descubrir que el numero total de tierras habitables en la galaxia sean minimas…..

  9. Está bastante claro que aun desconocemos mucho de la formación de los sistemas planetarios, pero hacer hipótesis con lo poco que sabemos siempre es positivo. Sin hipótesis no hay avance, aunque luego se demuestren parcialmente falsas; porque la hipótesis científicas nunca son totalmente falsas.

    Es un problema en el que la estadística tiene mucho que ver. Primero por que los sistemas planetarios mas «visibles» no se parecen al nuestro y segundo porque es difícil aceptar que nuestro sistema sea tan raro que no se repita cuando menos miles de veces en nuestra propia galaxia. Nos queda mucho que aprender aun.

  10. Son tantas y tantas las «casualidades» que se tuvieron que dar para que hubiese vida en la tierra, muchos otros etc, etc, y ahora esto de Saturno. Muchas casualidades, tantas que finalmente resulta que no es casualidad sino causalidad.

  11. tm-El asunto de extraplanetas es tremendo. Es solo el principio,habra descubrimientos alucinantes. Y la mayoria de los habitantes de la tierra no se enteran. Gracias Daniel,por subirnos a las estrellas!

  12. me podrían contestar esta pregunta gracias, ¿porque un planeta cuya distancia a su estrella variara enormemente seria muy complejo el surgimiento y desarrollo de la vida tal cual la conocemos?

  13. Si mi E-mail no será mostrado o compartido, entonces: ¿-Para qué mandarlo-?.-Opino que, del debate, salen cosas útiles, muchas veces.-Pero si no hay debate, desde luego que no sale nada.-
    ¿-Podría alguien explicarme el origen y lo que se pretende, con esta autocensura hacia otros-?.-
    Muchas gracias por la contestación

  14. Pido disculpas por el anterior E-mail, pues he visto que ha sido publicado.-Y tras esta incomprensión por mi parte, abordo el asunto del orígen de los Planetas.-

    Partículas, Átomos, o polvo interplanetario, viajando a 90.000 Kmts/h,, como el cuerpo que cayó recientemente en La Tierra, no pueden formar cuerpos de masa, incluso con menos masa que una bola de tenis: Se deshacen al chocar.-La teoría Planetesimal de Laplace, falla completamente en este aspecto, aunque no en el aspecto de posteriores acrecciones.-Otra prueba.-Los anillos de polvo de los Planetas Gigantes, y otros, NO FORMAN NADA SÓLIDO.- Otra prueba.-Los yacimientos terrestres de Elementos más pesados que el Hierro, tanto por su cantidad, como por su dispersión geográfica, no avalan, ni el proceder de la nube primigenia, ni otras hipótesis.-´
    En consecuencia: Los planetas emergen de su Estrella central, especialmente durante su fase T-Tauri.-Los objetos llamados Herbig-Haro, lo avalan.-
    En síntesis, el proceso es el siguiente:
    Consideremos primeramente una nube primigenia, formada SOLAMENTE de Hidrógeno, que se va contrayendo.-Quedan partes, sin contraer.-La futura Estrella, comienza a formarse.-En un momento cualquiera, entra en fase T-Tauri, en la que sus eyecciones llegan más allá de su campo gravitatorio.-Consecuencia: barren todo el resto que no absorbió anteriormente, y además, sirven para contraer las partes más lejanas de la nube, que no absorbió anteriormente, lo cual desencadenará nuevos nacimientos de Estrellas.-En esta fase tan violenta, si la futura Estrella pierde un 3% de su masa, no la pasa nada.-Toda la masa del sistema planetario del Sol, excluyendo a éste, no llega al 3% de su masa actual, que antes era aún mayor.-¿.Y que hay acerca de los objetos menores, como Satélites, Lunas, Cometas, y diversos cinturones de cuerpos rocosos.-Su orígen puede estar en: (A).-Eyecciones menores de la Estrella central.-(B) Eyecciones de los Planetas, en cualquier momento, por ejemplo, antes de estabilizarse en su actual órbita, o reajustar sus masas.-No podemos excluir completamente, el vulcanismo planetario que, en los Astros sin atmósfera, emiten cuerpos sólidos, incandescentes, como sucede en un Satélite de Saturno.-Sin embargo, la teoría de Laplace, es válida, una vez que, por los procesos descritos, ya se han formado cuerpos o Astros de todo tipo, con diversas masas, que pueden resistir impactos de otros cuerpos menores, con mayores o menores consecuencias.´-
    Todo esto, está contenido a lo largo de los 23 libros sobre los problemas actuales de la Astrofísica, que he escrito.-

    Un cordial saludo desde Málaga

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 4 julio, 2011
Categoría(s): ✓ Astronomía • Exoplanetas • sondasesp