Campos de Estrellas

La metalicidad de las estrellas prende la chispa de la formación de planetas

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Disco de polvo

NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

Una nueva investigación predice los criterios necesarios para que planetas como la Tierra puedan formarse alrededor de una estrella que tenga un décimo de la metalicidad de nuestro Sol. Jarrett Johnson y Hui Li, de Los Alamos National Laboratory, han tratado de determinar las condiciones necesarias para que se formen planetas en un sistema estelar. Ambos afirman que las observaciones que estamos acumulando sugieren que la formación de los planetas se lleva a cabo en sistemas estelares que poseen una mayor metalicidad.

Los astrónomos utilizan el término “metalicidad” para referirse a elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, como por ejemplo el oxígeno, el silicio o el hierro. El modelo de formación planetaria conocido como el de “acreción del núcleo”, establece que la formación de un núcleo rocoso se realiza poco a poco, conforme los granos de polvo que componen el disco de material que rodea una joven estrella chocan entre sí hasta crear pequeños cuerpos rocosoas conocidos como planetesimales. Johnson y Li destacan que según este modelo es necesaria la presencia de elementos pesados para dar lugar a los granos de polvo y los planetesimales que producen los núcleos planetarios.

Además, la evidencia sugiere que los discos de polvo que rodean a las estrellas jóvenes no sobreviven demasiado tiempo cuando las estrellas tienen una metalicidad baja. La razón más probable para este tiempo de vida más corto sería que la luz de la estrella hace que las nubes de polvo con baja metalicidad se evaporen antes.

La época de los planetas

Criterios de metalicidad para la formacion de planetas

Johnson & Li

Nuestra historia cósmica tiene varias épocas, una de ellas corresponde al punto en el que los sistemas estelares comenzaron a producir planetas. Los elementos pesados como el carbono, el silicio y el oxígeno tuvieron que ser creados en los núcleos y supernovas de las primeras generaciones de estrellas antes de que los primeros planetas pudiesen formarse. Según Johnson, “Debido a que estos elementos pesados debieron ser producidos por las primeras estrellas del Universo, los primeros planetas sólo pudieron formarse alrededor de las estrellas de generaciones posteriores”, “Nuestro cálculo hace una estimación de la cantidad mínima de elementos pesados que deben estar presentes en los discos circumestelares antes de que los planetas pueden formarse”.

Entender cómo se formaron los primeros planetas proporciona una información crucial sobre los inicios del Universo. Además, una mejor comprensión de la formación planetaria temprana afecta muchos aspectos de la Astronomía, incluyendo la búsqueda de vida en otros lugares.

Según estos investigadores, una teoría satisfactoria de la formación de planetas debe hacer predicciones sobre las propiedades de los primeros planetas y de sus estrellas anfitrionas. Esta teoría se podría probar mediante el estudio en nuestra galaxia de sistemas planetarios muy antiguos. El enriquecimiento del gas con los metales producidos por las supernovas se cree que afecta no sólo a la formación de planetas, sino también a la formación de estrellas de baja masa como nuestro Sol.

“Un planeta tan masivo y denso como la Tierra sólo puede formarse una vez que las estrellas y supernovas hayan enriquecido el gas con elementos pesados, hasta alcanzar al menos el 10 por ciento de la que tiene el Sol”, añade Johnson. “Lo que sugiere que muchas generaciones de estrellas se tuvieron que formar y evolucionar antes de que se pudiesen formar planetas habitables”.

Una cuestión importante a tener en cuenta para la formación planetaria es la dispersión del disco que rodea a la estrella anfitriona. Dos de los mecanismos más importantes para la dispersión de un disco planetario son la formación de planetas gigantes y la fotoevaporación producida por la estrella anfitriona. La fotoevaporación parece ser el proceso más determinante y que acabar por dictar la vida útil de un disco planetario alrededor de una estrella. Las observaciones muestran que los discos de baja metalicidad tienen tiempos de vida más cortos, algo que se ve reforzado por los datos que muestran que los discos con mayor metalicidad están mejor blindados ante la evaporación que produce la radiación que emite la estrella anfitriona. Además, los discos con mayor metalicidad tienden a formar un número mayor de planetas con masas gigantes.

El tiempo de vida del disco de polvo

Disco de polvo de HD141569

NASA, M. Clampin, H. Ford, G. Illingworth, J. Krist, D. Ardila, D. Golimowski, the ACS Science Team and ESA

Con el objetivo de obtener estimaciones de la metalicidad crítica necesaria para la formación planetaria, Johnson y Li compararon el tiempo de vida del disco y la cantidad de tiempo necesario para que se formen los granos de polvo en el disco. Básicamente, para que un sistema estelar pueda formar planetas, el tiempo requerido para que los granos de polvo se puedan formar no puede exceder el de la vida útil del disco planetario.

El equipo explica que la relación entre el polvo y el gas que se da cuando las escalas de tiempo son iguales da una estimación de la metalicidad crítica, el punto en el que su modelo sugiere que se pueden formar planetas. Puesto que el tiempo de formación de los granos de polvo depende de la densidad y la temperatura del disco, algo que a su vez está relacionado con la distancia a la estrella, la metalicidad crítica también depende de esta distancia.

“Nuestro cálculo es en realidad bastante sencillo en comparación a muchos otros, nos hemos centrado sólo en lo que creemos que son los procesos claves que marcan la escala de tiempo necesaria para la formación de planetesimales con baja metalicidad”, dice Johnson. “Éstos son el crecimiento de los granos de polvo en los planetesimales y la destrucción del disco por la radiación de alta energía de la estrella anfitriona. Si bien el cálculo es simple, muestra que los modelos actuales de formación planetaria pueden, en principio, explicar cómo se forman los planetas con baja metalicidad”.

El equipo destaca varias suposiciones hechas en su estudio. La primera hipótesis es que metalicidad de la estrella es la misma que la del disco protoestelar a partir de cual se forman los planetas. En segundo lugar, el equipo asume que las órbitas planetarias son circulares. Cuando las órbitas son muy excéntricas, comparar los datos con las predicciones teóricas es más difícil. Por último, el equipo asume que no hay migración de planetas hacia órbitas más internas, es decir, hacia su estrella desde el lugar inicial del disco en el que se formaron.

El equipo encontró que la formación de planetesimales sólo puede tener lugar una vez que el disco protoestelar alcanca un mínimo de metalicidad. Como las primeras estrellas que se formaron en el Universo (estrellas de la Población III) no tienen la metalicidad necesaria para albergar planetas, se cree que las explosiones como supernova de tales estrellas ayudaron a enriquecer posteriores estrellas (Población II), algunas de las cuales aún pueden existir y podrían albergar planetas.

Los primeros planetas

Basándose en sus ecuaciones, el equipo considera que algunos de los primeros planetas pudieron formarse a una distancia de 0,03 UA de su estrella (en comparación, Mercurio orbita a algo menos de 0,4 UA). Dadas las altas temperaturas en órbitas tan compactas (estimada en alrededor de 1600 K o C 1300), la formación de planetas es probable que haya dado lugar a planetas demasiado calientes para albergar vida tal como la conocemos.

“Curiosamente, nuestros resultados también sugieren que los primeros planetas similares a la Tierra podrían haberse formado en las zonas habitables de estrellas algo más masivas que el Sol”, agrega Johnson. “Debido a que las estrellas más masivas se queman más rápido, es posible que cualquier tipo de vida que haya evolucionado en estos planetas haya perecido con la muerte de su estrella, que pudo haber vivido tan sólo 4 mil millones años, en comparación con la vida útil de 10 mil millones de años que se estiman para el Sol “.

Johnson y Li también apuntan a que la formación de planetas como la Tierra no es por sí misma un requisito suficiente para que la vida se afianze, afirmando que las primeras galaxias contenían numerosas supernovas y agujeros negros, grandes fuentes de radiación que podrían amenazar la vida. Dadas las condiciones hostiles en los inicios del Universo, es de esperar que las condiciones adecuadas para la vida sólo se diesen tras la formación de las primeras galaxias.

“Sin embargo, con la riqueza de los nuevos exoplanetas que se descubren y caracterizan, nuestra teoría de la metalicidad mínima para la formación de planetas puede ser impugnada”, concluye Johnson. “Va a ser emocionante ver cómo se sostiene nuestro modelo.”

La investigación de Johnson y Li aparecerá en la revista Astrophysical Journal.

Noticia orignal: When Stellar Metallicity Sparks Planet Formation.

Escrito por Felipe

10 abril, 2012 a 20:19

Escrito en estrellas, planeta

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