Los sistemas en las primeras etapas de formación experimentan el mayor número de impactos debido a la presencia de una gran cantidad de embriones en órbitas inestables. ¿Podremos considerar estos procesos y revelar el pasado de la Tierra?
En las etapas finales de la formación del planeta, los embriones planetarios jóvenes chocan contra otros protoplanetas, lo que hace que sus superficies y mantos se derritan intensamente. Una de esas colisiones entre la futura Tierra y Theia que la golpeó creó el sistema Tierra-Luna y condujo al surgimiento del océano de magma: una mezcla de silicatos fundidos y volátiles que se extiende por todo el manto. Los océanos de magma prepararon el escenario para la superficie y la atmósfera tempranas en las que finalmente se desarrollaron las condiciones de vida.
La colisión de la Tierra recién nacida y Theia (un objeto del tamaño de Marte), que provocó la formación de la Luna.
Desafortunadamente para los geofísicos, pero afortunadamente para la vida en general, varios miles de millones de años de tectónica de placas en la Tierra han destruido los claros signos de un océano de magma, por lo que los científicos apenas comprenden cómo este mundo caliente y fundido se convirtió en un planeta habitable. Sin embargo, se cree que los principios generales de la formación de planetas rocosos son similares en los sistemas de otras estrellas y, por tanto, los impactos más poderosos no son raros en los planetas que actualmente se están formando en las órbitas de estrellas jóvenes.
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Esto hace posible capturar una instantánea del resplandor de los impactos gigantes en sistemas exoplanetarios. La detección directa de un protoplaneta fundido será la clave para las primeras etapas de la evolución planetaria.
La caza de mundos fundidos
Los protoplanetas jóvenes son muy calientes y brillantes, ya que la temperatura de su superficie puede alcanzar los 3000 ° C. Por lo tanto, uno podría pensar que son fáciles de detectar en el cielo nocturno, pero desafortunadamente esto no es del todo cierto. De hecho, a medida que el manto fundido se solidifica, los volátiles disueltos, como el agua y el dióxido de carbono, se liberan gradualmente a la atmósfera. En ausencia de fuertes vientos estelares o altos niveles de radiación ultravioleta de la estrella, la atmósfera del planeta se espesará, oscureciendo así la superficie. Al hacerlo, actuará como una manta, prolongando el período de enfriamiento del océano de magma.
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Una representación artística de un exoplaneta cubierto de océanos de magma.
Si bien los modelos teóricos de formación planetaria han sugerido la existencia de océanos de magma, aún no se ha observado la fusión global de cuerpos como resultado de colisiones entre protoplanetas. Dado que se espera que el número de tales impactos disminuya gradualmente con el tiempo, los sistemas planetarios jóvenes ofrecen las mejores oportunidades para detectar tales objetos.
Sin embargo, para ser visibles, estos cuerpos fundidos deben cumplir dos condiciones. Primero, no esté demasiado cerca de su estrella, de lo contrario el telescopio no podrá separar el protoplaneta fundido de su brillante anfitrión. En segundo lugar, una cantidad suficiente de radiación del océano de magma debe penetrar en la atmósfera.
En términos de radiación emitida, los protoplanetas fundidos son un objetivo atractivo para obtener imágenes directas porque son mucho más brillantes que los planetas más antiguos como la Tierra. Entonces, si alguna vez queremos comenzar a recolectar fotografías inmediatas de planetas extrasolares similares a la Tierra, ¡los protoplanetas fundidos es un buen lugar para comenzar!
¿Cuáles son las posibilidades de detectar resplandor crepuscular?
Desafortunadamente, incluso con las herramientas de imágenes más avanzadas, la detección directa de planetas fundidos permanece fuera de su alcance. Sin embargo, la década de 2020 verá la era de los colosales telescopios terrestres: el Extremely Large Telescope (ELT) de ESO en Chile, el Giant Magellanic Telescope (GMT) en Chile y el Thirty Meter Telescope (TMT) en Hawai. Además de los nuevos observatorios terrestres, se están considerando futuras misiones espaciales para obtener imágenes directas de planetas rocosos en zonas habitables de estrellas similares al sol, en particular el interferómetro LIFE (Interferómetro grande para exoplanetas), que promete una precisión sin precedentes en la caracterización de planetas extrasolares.
Representación artística del telescopio extremadamente grande de ESO.
La probabilidad de ver un planeta fundido depende de dos factores principales: la cantidad acumulada de impactos gigantes experimentados por los objetos en el sistema planetario y el intervalo de tiempo durante el cual el cuerpo fundido permanece lo suficientemente caliente como para ser detectado.
Para determinar la probabilidad de observar protoplanetas fundidos, primero debe establecer la probabilidad de impactos gigantes simulando la formación planetaria. Las simulaciones por computadora rastrean la evolución de la órbita y el crecimiento de los embriones planetarios a medida que se fusionan en planetas de pleno derecho durante las colisiones.
Los sistemas en las primeras etapas de formación experimentan el mayor número de impactos debido a la presencia de una gran cantidad de embriones en órbitas inestables. Dicho esto, esas enanas rojas en órbita, las estrellas más comunes en la Vía Láctea, serán golpeadas casi el doble de veces que las que están alrededor de las contrapartes de nuestro Sol. Esto es muy prometedor con respecto a la probabilidad de que ocurran océanos de magma, pero hay una advertencia: los protoplanetas en tales sistemas estarán ubicados en órbitas cercanas y, por lo tanto, no se pueden separar de la radiación de la estrella. Además, las colisiones serán menos enérgicas y por tanto las carrocerías estarán embotadas. Por lo tanto, la observabilidad potencial se convierte en función de la edad de la estrella, el número de impactos y la energía de colisión.
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Dada la frecuencia de aparición del océano de magma, los científicos calcularon la evolución y el período de existencia de los océanos de magma para determinar los cambios en la temperatura de la superficie en función del tamaño del planeta y el grosor de su atmósfera, que se expresa en la denominada emisividad: cuanto más baja es, más aislante es la atmósfera.
Una representación artística de un joven exoplaneta bombardeado constantemente por embriones en órbitas inestables.
Los protoplanetas grandes con una atmósfera espesa soportarán océanos de magma por más tiempo, pero también exhibirán una radiación más baja y es más probable que estén por debajo del nivel de sensibilidad de los telescopios. Es importante señalar que la composición probable de exoprotoplanetas puede diferir significativamente de los primeros planetas del sistema solar. Por tanto, la emisividad depende de un parámetro adicional: una variedad de composiciones y masas de atmósferas exoplanetarias.
Naturalmente, el mejor lugar para comenzar a buscar planetas fundidos con ELT o LIFE está determinado por la proximidad al sistema solar. Los objetivos más prometedores son los grupos estelares jóvenes, cercanos y masivos. Imagínese que los científicos ya tienen un telescopio "adecuado" y deben ver todas las estrellas individuales en una asociación. ¿Se encontrará un protoplaneta fundido? Ni sí ni no. La respuesta es la probabilidad estadística, que depende de una serie de parámetros físicos.
Toma panorámica de la asociación Carina OB1, que contiene varios grupos de estrellas jóvenes, como el cúmulo Trumpler 14, que alberga unas 2.000 estrellas. Los sistemas más cercanos a nosotros, como este, son los principales objetivos para detectar colisiones de protoplanetas.
Por ejemplo, la asociación β Pictoris (Beta Pictoris), ubicada a 63 años luz del Sol, incluye 31 estrellas con una edad promedio de 23 millones de años. La probabilidad de detectar al menos un planeta con un océano de magma entre sus sistemas planetarios será insignificante con un filtro insensible, pero puede llegar al 80% para observaciones con LIFE a 5,6 micrómetros o con ELT a 2,2 micrómetros.
¿Qué significan estos números y qué hacer a continuación?
Quedan varias preguntas. Por ejemplo, todavía no está claro si los planetas nacen alrededor de todas las estrellas y qué tipos de planetas deberían esperarse dependiendo de la clase de estrella.
Estudios anteriores, que discutieron la observabilidad potencial de los planetas fundidos, se preguntaban si el resplandor de un impacto gigante, similar al que creó la Luna, podría registrarse en condiciones proto-terrestres. Sin embargo, un estudio de exoplanetas en las últimas décadas ha demostrado que muchas de sus características (composición, masa, radio, órbita y otras) son tremendamente diferentes de todo lo que se asumió como resultado del estudio del sistema solar. Por lo tanto, los científicos esperan enormes diferencias entre las propiedades de composición de los protoplanetas jóvenes y sus atmósferas, es decir, la cuestión de la observabilidad potencial de la proto-Tierra en formación es interesante, pero sin importancia debido a la probabilidad insignificante de la presencia de tales protoplanetas en las proximidades previsibles del Sol.
Miles de sistemas estelares que viven en la Vía Láctea.
Para acercarse a la detección de un protoplaneta fundido en los próximos años, se deben abordar varias preguntas clave: ¿cuáles son las variaciones típicas en las atmósferas de los planetas rocosos, cómo se distribuyen los volátiles entre el manto y la atmósfera?
Las campañas de observación permitirán a los científicos mejorar su comprensión de las propiedades atmosféricas y la distribución de la composición. Además, será necesario limitar mejor las características de las estrellas miembros individuales de las asociaciones más prometedoras: β Pictoris, Columba, TW Hydrae y Tucana-Horologium. Esto requiere los esfuerzos conjuntos de teóricos y observadores, astrónomos, geofísicos y geoquímicos.
Eventualmente, en algún momento en un futuro no muy lejano, es posible que podamos vislumbrar un mundo joven y brillante que puede no ser tan diferente de nuestro propio hogar en el universo.
Arina Vasilieva
