Aunque los planetas rodean a las estrellas en la galaxia, cómo se forman sigue siendo objeto de debate. A pesar de la abundancia de mundos en nuestro propio sistema solar, los científicos aún no están seguros de cómo se construyen los planetas. Actualmente, dos teorías se disputan el papel de campeón.

La primera y más aceptada teoría, la de la acreción del núcleo, funciona bien con la formación de los planetas terrestres como la Tierra, pero tiene problemas con los planetas gigantes. La segunda, el método de la inestabilidad del disco, puede explicar la creación de estos planetas gigantes.

Los científicos siguen estudiando los planetas dentro y fuera del sistema solar en un esfuerzo por comprender mejor cuál de estos métodos es más preciso.

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El modelo de acreción del núcleo

Hace aproximadamente 4.600 millones de años, el sistema solar era una nube de polvo y gas conocida como nebulosa solar. La gravedad colapsó el material sobre sí mismo cuando comenzó a girar, formando el sol en el centro de la nebulosa.

Con el surgimiento del sol, el material restante comenzó a agruparse. Las partículas pequeñas se juntaron, unidas por la fuerza de la gravedad, en partículas más grandes. El viento solar barrió los elementos más ligeros, como el hidrógeno y el helio, de las regiones más cercanas, dejando sólo materiales pesados y rocosos para crear mundos terrestres más pequeños como la Tierra. Pero más lejos, los vientos solares tuvieron menos impacto sobre los elementos más ligeros, permitiendo que se fusionaran en gigantes gaseosos. De este modo, se crearon asteroides, cometas, planetas y lunas.

El núcleo rocoso de la Tierra se formó primero, con elementos pesados que colisionaron y se unieron. El material denso se hundió en el centro, mientras que el material más ligero creó la corteza. El campo magnético del planeta probablemente se formó en esta época. La gravedad capturó algunos de los gases que formaron la primera atmósfera del planeta.

Al principio de su evolución, la Tierra sufrió el impacto de un gran cuerpo que catapultó al espacio trozos del manto del joven planeta. La gravedad hizo que muchos de estos trozos se juntaran y formaran la Luna, que se puso en órbita alrededor de su creador.

El flujo del manto bajo la corteza provoca la tectónica de placas, el movimiento de las grandes placas de roca en la superficie de la Tierra. Las colisiones y la fricción dieron lugar a montañas y volcanes, que empezaron a arrojar gases a la atmósfera.

Aunque la población de cometas y asteroides que pasan por el sistema solar interior es escasa hoy en día, eran más abundantes cuando los planetas y el sol eran jóvenes. Las colisiones de estos cuerpos helados probablemente depositaron gran parte del agua de la Tierra en su superficie. Dado que el planeta se encuentra en la zona de Ricitos de Oro, la región en la que el agua líquida ni se congela ni se evapora, sino que puede permanecer en estado líquido, el agua permaneció en la superficie, lo que muchos científicos creen que desempeña un papel clave en el desarrollo de la vida.

Las observaciones de los exoplanetas parecen confirmar que la acreción del núcleo es el proceso de formación dominante. Las estrellas con más «metales» -término que utilizan los astrónomos para designar elementos distintos del hidrógeno y el helio- en sus núcleos tienen más planetas gigantes que sus primos pobres en metales. Según la NASA, la acreción del núcleo sugiere que los mundos pequeños y rocosos deberían ser más comunes que los gigantes gaseosos más masivos.

El descubrimiento en 2005 de un planeta gigante con un núcleo masivo que orbita alrededor de la estrella similar al sol HD 149026 es un ejemplo de exoplaneta que ayudó a reforzar los argumentos a favor de la acreción del núcleo.

«Se trata de una confirmación de la teoría de la acreción del núcleo para la formación de planetas y una prueba de que deberían existir planetas de este tipo en abundancia», dijo Greg Henry en un comunicado de prensa. Henry, astrónomo de la Universidad Estatal de Tennessee, en Nashville, detectó el oscurecimiento de la estrella.

En 2017, la Agencia Espacial Europea tiene previsto lanzar el satélite CHaracterising ExOPlanet Satellite (CHEOPS), que estudiará exoplanetas de tamaños que van desde las supertierras hasta Neptuno. El estudio de estos mundos lejanos podría ayudar a determinar cómo se formaron los planetas del sistema solar.

«En el escenario de acreción del núcleo, el núcleo de un planeta debe alcanzar una masa crítica antes de que sea capaz de acretar gas de forma desbocada», dijo el equipo de CHEOPS.

«Esta masa crítica depende de muchas variables físicas, entre las cuales la más importante es la velocidad de acreción de los planetesimales»

Al estudiar cómo los planetas en crecimiento acrecionan material, CHEOPS proporcionará información sobre cómo crecen los mundos.

El modelo de inestabilidad del disco

Aunque el modelo de acreción del núcleo funciona bien para los planetas terrestres, los gigantes gaseosos habrían necesitado evolucionar rápidamente para apoderarse de la importante masa de gases más ligeros que contienen. Pero las simulaciones no han podido dar cuenta de esta rápida formación. Según los modelos, el proceso tarda varios millones de años, más tiempo del que disponían los gases ligeros en el sistema solar primitivo. Al mismo tiempo, el modelo de acreción del núcleo se enfrenta a un problema de migración, ya que es probable que los planetas bebé entren en espiral hacia el sol en un corto espacio de tiempo.

Según una teoría relativamente nueva, la inestabilidad del disco, los cúmulos de polvo y gas se unen al principio de la vida del sistema solar. Con el tiempo, estos cúmulos se compactan lentamente hasta formar un planeta gigante. Estos planetas pueden formarse más rápidamente que sus rivales de acreción del núcleo, a veces en tan sólo mil años, lo que les permite atrapar los gases más ligeros que desaparecen rápidamente. También alcanzan rápidamente una masa estabilizadora de la órbita que les impide marchar hacia el sol.

Según el astrónomo exoplanetario Paul Wilson, si la inestabilidad del disco domina la formación de planetas, debería producir un amplio número de mundos en órdenes grandes. Los cuatro planetas gigantes que orbitan a distancias significativas alrededor de la estrella HD 9799 proporcionan pruebas observacionales de la inestabilidad del disco. Fomalhaut b, un exoplaneta con una órbita de 2.000 años alrededor de su estrella, también podría ser un ejemplo de un mundo formado a través de la inestabilidad del disco, aunque el planeta también podría haber sido expulsado debido a las interacciones con sus vecinos.

Acreción de guijarros

El mayor desafío para la acreción del núcleo es el tiempo: construir gigantes gaseosos masivos lo suficientemente rápido como para agarrar los componentes más ligeros de su atmósfera. Una investigación reciente sobre cómo objetos más pequeños, del tamaño de guijarros, se fusionaron para construir planetas gigantes hasta 1000 veces más rápido que los estudios anteriores.

«Este es el primer modelo que conocemos en el que se comienza con una estructura bastante simple para la nebulosa solar a partir de la cual se forman los planetas, y se termina con el sistema de planetas gigantes que vemos», dijo a Space.com en 2015 el autor principal del estudio, Harold Levison, astrónomo del Instituto de Investigación del Suroeste (SwRI) en Colorado.

En 2012, los investigadores Michiel Lambrechts y Anders Johansen, de la Universidad de Lund (Suecia), propusieron que los diminutos guijarros, una vez descartados, tenían la clave para construir rápidamente planetas gigantes.

«Demostraron que los guijarros sobrantes de este proceso de formación, que antes se consideraban sin importancia, podrían ser en realidad una enorme solución al problema de la formación de planetas», dijo Levison.

Levison y su equipo se basaron en esa investigación para modelar con más precisión cómo los diminutos guijarros podrían formar planetas que se ven en la galaxia hoy en día. Mientras que en simulaciones anteriores los objetos grandes y medianos consumían a sus primos del tamaño de un guijarro a un ritmo relativamente constante, las simulaciones de Levison sugieren que los objetos más grandes actuaban más bien como matones, arrebatando guijarros a las masas medianas para crecer a un ritmo mucho más rápido.

«Los objetos más grandes tienden ahora a dispersar a los más pequeños más de lo que éstos les devuelven, por lo que los más pequeños acaban siendo dispersados fuera del disco de guijarros», dijo a Space.com la coautora del estudio, Katherine Kretke, también del SwRI. «El más grande básicamente intimida al más pequeño para que puedan comer todos los guijarros por sí mismos, y puedan seguir creciendo para formar los núcleos de los planetas gigantes».

A medida que los científicos continúen estudiando los planetas dentro del sistema solar, así como alrededor de otras estrellas, comprenderán mejor cómo se formaron la Tierra y sus hermanos.

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