Nuestra Tierra se formó a partir de un disco masivo de gas y polvo que giraba alrededor del sol, y los científicos se preguntaban si los mismos procesos gobernaban los miles de planetas extrasolares descubiertos en las últimas décadas.
Un equipo de astrofísicos ha unido por primera vez la observación del desarrollo de los planetas y la formación del campo magnético en un solo estudio.
Publicada en la revista Astrophysical Journal, la investigación, titulada «Simulaciones globales de discos protoplanetarios magnetizados autogravitantes», reunió lo que anteriormente eran dos campos de investigación separados y, en consecuencia, se simularon en modelos separados.
Lucio Mayer, Profesor de Astrofísica Computacional de la Universidad de Zurich y Director de Proyectos del Centro Nacional de Competencia en Investigación de Planetas, junto con sus colegas Hongping Deng, antiguo estudiante de doctorado de Mayer, y Henrik Latter, Profesor Universitario de la Universidad de Cambridge, llevaron a cabo simulaciones por ordenador para investigar los procesos que se producen cuando se forman planetas a partir de discos protoplanetarios de gas y polvo, como el crecimiento de la masa de un planeta y la formación de su campo magnético.
Los astrofísicos han determinado desde hace mucho tiempo que la llamada inestabilidad gravitatoria (GI) en un disco de materia en rotación hace que las partículas se «agrupen» formando estructuras de alta densidad a partir de las cuales los planetas podrían haberse construido en el curso de algunos cientos de miles de años.
Sin embargo, no se conoce lo suficiente sobre los efectos del campo magnético durante la inestabilidad gravitatoria.
El presente estudio trató de remediarlo utilizando la supercomputadora «Piz Daint» del Centro Nacional de Supercomputación de Suiza (CSCS) en Lugano. El equipo simuló el desarrollo del disco protoplanetario tanto bajo la influencia de la gravedad como en presencia de un campo magnético. Como resultado, descubrieron un mecanismo completamente nuevo, posiblemente capaz de arrojar luz sobre observaciones previamente inexplicadas.
Enigma del momento angular
Un problema intrigante que la investigación actual espera resolver es que los planetas de nuestro sistema solar actualmente giran mucho más lentamente que el disco protoplanetario del que deben haberse formado.
Durante la formación de los planetas, estrellas y agujeros negros, se debería perder un vasto momento angular, muestran los estudios, mientras que aún no está claro cómo ocurre exactamente.
«Nuestro nuevo mecanismo parece ser capaz de resolver y explicar este problema tan general», dice Lucio Mayer.
Los investigadores creen que, a través de su trabajo, han descubierto un mecanismo de fricción completamente nuevo que erosiona significativamente el momento angular del disco.
«Gracias al potente motor de ondas de densidad espiral, nuestro nuevo mecanismo de fricción parece aún más eficiente en las regiones densas de los discos protoplanetarios en las que hay menos partículas cargadas para sostener el campo magnético», dijo Deng.
Fue gracias al desarrollo de un método adecuado por el ex-estudiante de Mayer, Hongping Deng, que el sueño del profesor de combinar ambos procesos – desarrollo del planeta y formación del campo magnético en una simulación pudo hacerse realidad.
La nueva técnica numérica se desarrolló y optimizó aún más para utilizar mejor las ventajas de la supercomputadora «Piz Daint».
Así, el equipo hizo un amplio uso de un método mejorado de malla de partículas híbridas para calcular el campo magnético, la dinámica de fluidos y la gravedad.
El método produjo resultados sorprendentes, ya que se hizo evidente que los brazos espirales formados por la gravedad en el disco protoplanetario actúan como un dínamo, con el campo magnético creciendo en fuerza. Este proceso genera más calor en el disco protoplanetario de lo que se creía.
Pero el hecho de que la dínamo parece tener una influencia significativa en el movimiento de la materia fue la mayor sorpresa.
El dínamo lo empuja hacia adentro y hacia afuera, alejándolo del disco, y éste evoluciona más rápido de lo que sugieren las teorías anteriores.
«La simulación muestra que la energía generada por la interacción del campo magnético en formación con la gravedad actúa hacia fuera y conduce un viento que expulsa la materia fuera del disco», dijo Mayer.
Concediendo que esto causaría que el 90% de la masa se perdiera en menos de un millón de años, el científico concluyó:
«Si esto es cierto, sería una predicción deseable, porque muchos de los discos protoplanetarios estudiados con telescopios de un millón de años de antigüedad tienen alrededor de un 90 por ciento menos de masa que la predicha por las simulaciones de formación de discos hasta ahora».
En estudios posteriores los investigadores esperan observar los vientos y la eyección de materia en las primeras etapas de la vida de los discos protoplanetarios, usando poderosos telescopios como el ALMA en Chile o el Conjunto de Kilómetros Cuadrados (SKA) – el radiotelescopio más grande del mundo actualmente en construcción.