¿Cómo se hace un planeta?

Una de las armas más poderosas del imperio en la Guerra de las Galaxias es la conocida como la Estrella de la Muerte; una estación espacial con el suficiente poder destructivo para acabar con planetas enteros. El argumento de varios episodios de la saga gira en torno a la lucha de la Alianza Rebelde por acabar con esa arma de destrucción masiva que, en la ficción, se materializa en forma de un hiperláser de gran potencia. En la realidad astrofísica y con asistencia gravitatoria, es relativamente sencillo hacer pedazos un planeta: podría colisionar con un objeto grande; ser engullido por su estrella; caer en las fauces de un agujero negro; o simplemente entrar en lo que se llama el límite de Roche de un astro más grande. Como en muchos aspectos de nuestras vidas, es también bastante más sencillo imaginar el proceso de destruir que el de construir. Quizás tenga que ver con el hecho de que esta última es una transformación que se cocina a fuego lento. Hagamos el esfuerzo hoy, ¿cómo es el proceso de formación de un planeta y que requiere?

Antes de que nuestros telescopios nos permitieran detectar planetas fuera del Sistema Solar, los modelos teóricos nos informaban que su existencia debía de ser parte del proceso de formación de estrellas: se hacen a la vez. Esperábamos la presencia de planetas ahí fuera, la cuestión era cuántos. A día de hoy tenemos los números que, aunque se van refinando a cada momento, nos permiten inferir que se construyen a la vez que la mayor parte de las estrellas porque allá donde miramos y tenemos la capacidad de detectarlos, los vemos. Los encontramos de todos los tamaños y órbitas y algunos, como las supertierras que no tenemos en nuestro sistema, son de los más abundantes. Pero, a pesar de todo lo que hemos avanzado todavía hay algo que desconocemos profundamente y tiene que ver con el hecho de que prácticamente todos los planetas detectados son relativamente viejos, son planetas que tienen la edad de su estrella, miles de millones de años en la mayor parte de los casos.

Ver cómo se cocina un planeta es un proceso muy difícil de desentrañar según está ocurriendo. Necesitamos mirar alrededor estrellas jóvenes que están todavía rodeadas por el material a partir del cual crecen y que esconde y oscurece su entorno. Además las técnicas comunes para encontrar planetas son menos efectivas, entre otras cosas, porque si el planeta es joven la estrella también y tiende a tener aumentos de actividad magnética que pueden ocultar las señales planetarias. Por estos motivos, entre otros, solo tenemos una detección sólida por imagen directa de un planeta todavía sumergido en su disco natal (lo llamamos disco protoplanetario). Se trata del sistema PDS 70, que tiene una edad de cinco millones de años (la mayor parte de los exoplanetas conocidos tienen miles de millones de años) y donde además, recientemente, se ha detectado, alrededor de uno de los dos planetas del sistema, el disco donde se podría estar formando una luna.

Gran parte del esfuerzo y del progreso en el estudio de planetas en formación se basa en observaciones astronómicas de discos protoplanetarios. Sabemos bien que en astrofísica no nos da la vida para esperar a que las cosas cambien en el cielo, por eso reconstruimos las líneas temporales mirando a diferentes objetos en diferentes etapas de sus vidas. Así unimos los puntos que nos permiten reconstruir su evolución. De este modo las estructuras como anillos, huecos, brazos espirales, asimetrías en los discos de estrellas jóvenes nos dan información no solo de la existencia de protoplanetas que están esculpiendo estas estructuras sino también de los procesos necesarios para su existencia.

Todo empieza cuando las nubes de material del medio interestelar están lo suficientemente frías para colapsar por efecto de la gravedad. La física que provoca la formación de un disco en el proceso de la formación de una estrella se puede resumir en una línea: conservación de momento angular. En ese disco se forman los planetas, ¿pero, cómo?

Pensemos en la Tierra como ejemplo. El punto de partida para construirla son pequeñas partículas de material sólido, al que llamamos polvo, que se producen en estrellas como el Sol al final de sus días y en explosiones de supernova. El polvo sin procesar está hecho de granos que pueden ser mil millones de veces más pequeñas que un metro. Cuando el polvo está presente en la región el disco de nacimiento de un planeta tiene que crecer hasta tamaños de seis millones de metros que es el radio de la Tierra (6.371 km). Para ponerlo en forma de algo que muy a nuestro pesar nos resulta demasiado familiar, tenemos que hacer crecer un objeto del tamaño de la Tierra a partir de partículas de material sólido del tamaño de un coronavirus.

El crecimiento, según nuestros modelos y observaciones, no se produce de una vez. Primero los granos de polvo necesitan coagular formando partículas más grandes en regiones densas, donde también adquieren mantos de hielos moleculares. Las partículas pequeñas colisionan suavemente debido al movimiento Browniano, llamado así en honor a Robert Brown, un botánico que demostró que el movimiento de las pequeñas partículas de polen que estaba mirando en el microscopio no tenía nada que ver con la vida. En este caso, las partículas sólidas microscópicas se mueven aleatoriamente inmersas en el gas. Las colisiones entre ellas las hacen más grandes y, con mayor tamaño, chocan entre sí a más velocidad hasta que adquieren tamaños de milímetros o centímetros. El paso crítico lo constituye hacerlas crecer hasta el tamaño de un planetesimal que es un cuerpo sólido entre 100 y 1000 m y que se mantiene unido por su propia atracción gravitatoria y no por la tensión del material. El problema es que los planetesimales tienen que crecer rápido. Los relojes en la química del cosmos nos dicen que en escalas de pocos millones de años se formaron en la nebulosa solar.

Los planetesimales son, literalmente, los ladrillos y una vez alcanzan ese tamaño construir planetas está asistido simplemente por procesos gravitatorios. Son las propiedades del propio disco las que determinan dónde se forman los planetas y de qué están hechos: las que dictan si tenemos planetas como Júpiter o como la Tierra y a qué distancia de la estrella y hechos de que material. Los discos protoplanetarios son muy delgados y contienen apenas entre un 1 y un 10% de la masa de la estrella que está en su centro. En el disco están escritos también los detalles que todavía no entendemos bien. Es precisamente ese paso del centímetro al kilómetro, del grano de polvo grande al planetesimal, el que nos revela la estructura del disco con sus espirales y paredes, con sus anillos y huecos. Ahí creemos que es donde se acumulan estas partículas de tamaño medio para poder crecer. Partículas grandes que viajarían directamente a ser destruidas en la superficie de la estrella a cumplir lo que sería su destino físico si nadie las detiene.

Eva Villaver es investigadora del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología

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