¿Qué pasaría si el sistema solar obtuviera un súper?

En esta era de descubrimiento de exoplanetas, los astrónomos han encontrado más de 5.000 exoplanetas confirmados, miles más esperan confirmación y muchos miles de millones más esperan ser descubiertos. Estos exoplanetas existen en un espectro desconcertante de tamaños, composiciones, períodos orbitales y casi todas las demás características que pueden medirse.

Aprender sobre ellos también ha arrojado luz sobre nuestro Sistema Solar. Solíamos pensar en ello como una disposición arquetípica de planetas, ya que era todo lo que teníamos para seguir adelante. Pero ahora sabemos que podríamos ser un caso atípico porque no tenemos una SuperTierra.

Las SuperTierras son una clase de planetas que son comunes alrededor de otras estrellas. Se definen únicamente por su masa, entre 2 y 10 masas terrestres. Aunque los cazadores de planetas han encontrado más de 1.500, nuestro Sistema Solar no tiene ninguno. Dado que nuestro Sistema Solar carece de uno de estos tipos representativos, es difícil para los científicos planetarios comprender las Súper Tierras en otros sistemas.

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La arquitectura de nuestro Sistema Solar también es bastante diferente de lo que ven los astrónomos alrededor de otras estrellas. Sistemas como Kepler-11 tienen múltiples planetas en sistemas compactos en órbitas estables a largo plazo mucho más cercanas a la estrella. Las interacciones entre planetas tan apretados deberían contribuir a la inestabilidad orbital, pero los planetas de Kepler-11 tienen el potencial de permanecer estables durante miles de millones de años. El planeta más pequeño del sistema, Kepler-11 f, sigue siendo 2,5 veces más masivo que la Tierra.

Otros sistemas como HD 20782 tienen planetas con excentricidades orbitales extremas. HD 20782 b tiene una de las órbitas más excéntricas conocidas. Su excentricidad es 0,97, extremadamente alta ya que una excentricidad de 1,00 es una órbita de escape. (A modo de comparación, la excentricidad de la Tierra es 0,016, donde 0 es una órbita circular). Como resultado, HD 20782 b experimenta cambios bruscos de temperatura a medida que viaja desde el sistema solar interior al sistema exterior en su órbita de 585 días.

Un investigador planetario experimentado quería saber qué pasaría si nuestro Sistema Solar tuviera una Súper Tierra. ¿Cómo cambiaría nuestro Sistema Solar? ¿Una Súper Tierra alinearía más nuestro Sistema Solar con algunos de los otros sistemas que vemos en la Vía Láctea? ¿Sería siquiera reconocible nuestro Sistema Solar?

Para averiguarlo, creó una SuperTierra simulada en una simulación de nuestro Sistema Solar.

Su nombre es Stephen Kane y es profesor de Astrofísica Planetaria en la Universidad de California. El artículo se titula "Las consecuencias dinámicas de una supertierra en el sistema solar" y Kane es el único autor. El artículo aún no ha sido revisado por pares.

En su artículo, Kane señala la brecha entre tamaño y masa planetaria de nuestro Sistema Solar y lo que significa para los investigadores. Sin una Súper Tierra, que se sitúa entre la masa de la Tierra y la de Neptuno, resulta complicado situar nuestro sistema en contexto. Es difícil modelar cómo se forman estos planetas y cuál podría ser su composición.

Podría haber varias razones por las que nuestro sistema no tiene una SuperTierra. La migración temprana de Júpiter y Saturno puede haber desempeñado un papel al engullir masa que podría haberse acumulado en la Tierra o Marte y convertirlos en SuperTierras.

Sin nuestra propia Súper Tierra para estudiar, los investigadores se quedan con muchas preguntas. "Aun así", escribe Kane, "es útil investigar las consecuencias dinámicas de la masa planetaria adicional dentro del Sistema Solar para limitar las teorías de formación actuales y estudiar las implicaciones para las arquitecturas generales del sistema planetario".

Los modelos informáticos detallados y las simulaciones son una parte importante de la astronomía y se vuelven más detallados y poderosos a medida que pasa el tiempo. Los investigadores varían las entradas para ver cómo se forman y se comportan cosas como los sistemas solares y los planetas en diferentes condiciones. En este trabajo, Kane colocó una Súper Tierra en nuestro Sistema Solar para ver qué pasaría.

"En este artículo, proporcionamos los resultados de un estudio dinámico que coloca un planeta terrestre adicional en el rango de masa de 1 a 10 masas terrestres y en el rango del semieje mayor de 2 a 4 UA dentro de la arquitectura actual del Sistema Solar", escribe Kane.

Kane agregó planetas con masas entre 1 y 10 masas terrestres en pasos de 1 masa terrestre. Colocó el planeta en diferentes posiciones iniciales en órbitas circulares. Las órbitas eran coplanares con las de la Tierra y el semieje mayor oscilaba entre 2 y 4 unidades astronómicas (AU) en pasos de 0,01 AU.

"Esto dio como resultado varios miles de simulaciones, en las que se permitió que cada simulación se ejecutara durante 107 años, comenzando en la época actual y una configuración orbital resultante cada 100 años de simulación", explica Kane.

Las simulaciones mostraron que los planetas interiores eran más susceptibles a la inestabilidad por la adición de una SuperTierra que los planetas exteriores. "La amplia región de 2 a 4 UA contiene muchas ubicaciones de MMR (resonancia de movimiento medio) con los planetas interiores que amplifican aún más la evolución caótica del Sistema Solar interior", afirma el artículo.

“Evolución caótica” es quedarse corto. La incorporación de una Súper Tierra cambia las relaciones entre los planetas y cambia toda la arquitectura del Sistema Solar interior. "En este ejemplo, las órbitas de los cuatro planetas interiores se vuelven lo suficientemente inestables como para ser eliminados del sistema antes de que finalice la simulación de 107 años".

El pobre Marte sólo llegó a la mitad de la simulación antes de ser expulsado. Mercurio solo llegó a un tercio del camino a través de la simulación antes de que las interacciones con Venus y la Tierra, y su creciente excentricidad, impartieran impulso angular a la órbita de Mercurio, alejándolo.

En otra ejecución de la simulación, Kane colocó una Súper Tierra con 8 masas terrestres a una distancia de 3,7 AU. Esto provocó ligeros aumentos iniciales en las excentricidades de la Tierra y Venus que luego, combinados con la influencia de Júpiter, perturbaron tanto la órbita de Mercurio que nuevamente fue expulsado rápidamente. La catastrófica eliminación de Mercurio cambió la Tierra y Venus al inyectar momento angular en sus órbitas. "Esto da como resultado una evolución periódica sustancial de sus órbitas, con variaciones de alta y baja frecuencia en sus excentricidades", escribe Kane.

La órbita de Marte relativamente no se ve afectada en este escenario, aunque su excentricidad "sufre oscilaciones de alta frecuencia debido a las interacciones con los planetas exteriores".

El Sistema Solar exterior también cambió, aunque no tan severamente. Cuando la simulación situó un planeta de 7 masas terrestres a 3,79 UA, al principio no pasó gran cosa. Pero finalmente se produce un cambio dramático. La órbita de la SuperTierra cambia y su semieje mayor alcanza hasta 30 UA. Después de unos 4 millones de años, la SuperTierra es expulsada del sistema. Su eyección transfiere momento angular y eso tiene un "efecto sustancial en las excentricidades de Saturno, Urano y Neptuno", explica Kane.

En otra simulación, la SuperTierra inyectada también tenía 7 masas terrestres, y la AU cambió sólo ligeramente, de 3,79 a 3,8. La SuperTierra fue expulsada nuevamente y Júpiter y Saturno experimentaron una mayor excentricidad. El ligero cambio también provocó la pérdida de Urano.

Kane realizó varios miles de ejecuciones de la simulación y, dependiendo de los parámetros, algunos de los planetas interiores fueron expulsados, al igual que la SuperTierra implantada. En otras arquitecturas, los gigantes de hielo también fueron expulsados. Pero la expulsión es sólo un resultado, aunque sea el más extremo.

Las simulaciones demostraron que la presencia de una SuperTierra puede hacer que las órbitas de otros planetas sean más excéntricas. Esto puede causar estragos en el clima de un planeta, ya que la temperatura oscila enormemente dependiendo de dónde se encuentre el planeta en su órbita excéntrica. "Estas interacciones dan como resultado una oscilación de gran amplitud de las excentricidades orbitales de Venus y la Tierra, creando ciclos de Milankovitch que potencialmente pueden influir en el clima a largo plazo de estos planetas", concluye Kane.

Hay muchas Supertierras por ahí, y es una pregunta abierta hasta qué punto su presencia influye en la habitabilidad en otros sistemas. Si este estudio sirve de indicación, es una cuestión que debe examinarse. "La dependencia de los climas planetarios de las interacciones orbitales con las súper Tierras requerirá más datos y modelos atmosféricos para determinar si la presencia de tales planetas (o la falta de ellos) puede conducir preferentemente a efectos climáticos impulsados ​​por la excentricidad", explica el autor.

En décadas anteriores, los astrónomos utilizaron la arquitectura de nuestro Sistema Solar para desarrollar modelos de formación y arquitectura del sistema solar. Pero ahora sabemos que nuestro Sistema Solar no es representativo de lo que existe, especialmente cuando se trata de Supertierras. La diferencia podría deberse a cómo migraron los planetas gigantes. "En particular, estos eventos de migración de planetas gigantes pueden haber influido en los procesos de formación de planetas terrestres en el Sistema Solar interior y truncado la formación del tipo de planeta más común descubierto hasta ahora: las Supertierras", afirma el artículo.

La hipótesis de Grand Tack muestra cómo Júpiter se formó a 3,5 AU, migró hacia adentro a 1,5 AU y luego regresó a 5,2 AU. El Rey de los Planetas moviéndose así por el Sistema Solar habría afectado todo lo que lo rodea. Podría haber creado una cascada de colisiones entre objetos en el Sistema Solar interior, impulsando material hacia el Sol que podría haber formado una Súper Tierra. Algunos investigadores piensan que nuestro sistema tuvo una SuperTierra en un pasado lejano que pereció en el Sol.

Kane llama a nuestra falta de una Supertierra un "arma de doble filo". Por un lado, no tenemos la oportunidad de estudiar una Súper Tierra tan de cerca como podemos estudiar los planetas terrestres, los gigantes gaseosos o los gigantes de hielo. Pero la presencia de una Súper Tierra podría haber cambiado el Sistema Solar por completo y podría haber sido potencialmente catastrófica para la vida.

"Nuestros resultados revelan la fragilidad dinámica de nuestra configuración planetaria existente, lo que permite un examen más detallado de esta configuración dentro del contexto más amplio de las arquitecturas de los sistemas planetarios", escribe Kane. El objetivo principal del trabajo es permitir comparaciones entre nuestro propio sistema 'extraño' y la gran cantidad de sistemas solares que contienen SuperTierra que existen.

“El estudio de las órbitas de estos sistemas, tanto desde el punto de vista individual como estadístico, demostrará las verdaderas consecuencias de compartir espacio dinámico con un planeta súper Tierra”, concluye.