A Galileo le habría encantado: por primera vez los astrónomos pueden estudiar una variedad de sistemas solares y la creciente colección de planetas recién descubiertos en ellas, está llena de sorpresas. "Gigantes gaseosos", más grandes que nuestro planeta Júpiter, giran alrededor de estrellas en órbitas muy pequeñas. Otras se desplazan en trayectos excéntricos, pasando como bolas de cañón. Sólo unos pocos planetas circulan dentro de la "zona habitable" de la correspondiente estrella, donde podría existir el agua y tal vez la vida. Los planetas orbitan en más de una de cada cinco estrellas como la nuestra. Pero un sistema solar, estable y cómodo como el nuestro, parece ser poco frecuente.

Mientras se va llenando el zoo planetario, los teóricos compiten para dar respuesta a preguntas esenciales. ¿Cómo se forman los sistemas planetarios? ¿Cómo es que a muchas estrellas se les desarrollan planetas? ¿Cómo muchos planetas logran sobrevivir a su adolescencia salvaje y alcanzan una madurez estable? Y la pregunta más importante de todas ¿Es única la Tierra, o por el contrario existen muchos planetas en que se haya desarrollado la vida?

Como el filósofo Emmanuel Kant, lo dijo por primera vez en el año 1755, "las estrellas y los planetas nacen simultáneamente". La historia comienza con una basta nube molecular que rota lentamente (gas frío y polvo) dentro de una galaxia. En la medida que la gravedad la empuja juntándola en una región más densa, el gas rota más rápido. Luego, al igual que una rotante masa de una pizza, comienza ésta a expandirse y adelgazarse. El resultado es una nébula solar primordial (un disco rotante en que el 99% es gas, salpicada con gránulos de polvo).


Receta para planetas
-Tome una nube y revuélvala-

Por muchos millones de años, va cayendo y acumulando material dentro del disco y los espirales interiores. Ahora sabemos que cuando en el núcleo se acumula suficiente masa, comienza la fusión, liberando enormes cantidades de energía. ¡Ha nacido una estrella!

Los discos con menos masa pueden no llegar a formar estrellas. Producen "enanas pardas", que pesan entre 13 a 75 veces lo que pesa Júpiter, el planeta más masivo de nuestro Sistema Solar (Las enanas pardas parecen no ser planetas, sino estrellas fallidas). Las estrellas normales pueden brillar por miles de millones de años, mediante la energía que se libera por la fusión del hidrógeno, pero las enanas pardas florecen brevemente por fusión de deuterio, una forma pesada de hidrógeno. Luego, sobre cien millones de años, se enfrían y desaparecen de la vista.

Mientras una estrella se está formando, comienzan a juntarse granos de polvo y hielo, o a crecer, en una delgada capa dentro del disco. Los granos gradualmente van acumulando más material, formando trozos. Algunos de estos se llaman "planetesimales", que eventualmente alcanzan un kilómetro de diámetro. Esto es vital: su atracción gravitacional es ahora lo suficientemente fuerte como para atraer material cercano.

Desde un comienzo, la formación de planetas es una carrera de ganadores. Algunas veces las coaliciones destruyen los planetesimales que están creciendo, pero en general los más grandes trozos crecen más rápido que los pequeños. Y como las bolas de nieve que ruedan montaña abajo, en la medida que se hacen más grandes, más rápido crecen. Dentro de un millón de años o algo más, los ganadores han englobado todo el material sólido que se les ha acercado hasta el área de su atracción gravitacional. Las órbitas vecinas se separan lo suficiente como para que los choques sean poco frecuentes. Estos "protoplanetas" aislados, pueden llegar a ser lo suficientemente masivos (10 a 20 veces el peso de la Tierra) como para atraer y devorar grandes cantidades de gas, con lo que va tallando anchas brechas, dejando halos, en la medida que se desplaza en el disco. Ellos rápidamente se hinchan y se transforman en gigantes gaseosos, como lo son Júpiter y Saturno (ver figura 1).

Este modelo parece explicar muy bien la formación de nuestro sistema solar (De que se formó el Sol y sus planetas). Cerca del Sol era demasiado caliente como para que se formara hielo. Los planetas rocosos van acreciendo lentamente, manteniéndose con un peso ligero como el de la Tierra. Fuera, más allá de la llamada "línea de la nieve", el núcleo sólido de Júpiter y Saturno se alimentan con polvo, más hielo y creciendo más rápido, alcanzan mayores tamaños. Urano y Neptuno, los gigantes helados, que carecen de atmósferas masivas, pueden haberse formado después de Júpiter y Saturno que crecieron hasta llegar a gigantes, al atraer gases que los rodean. Lejos, afuera en el espacio, se formó el pequeño "Plutón", en una región en que los materiales eran escasos.

Ahora los astrónomos saben que nuestro sistema Solar se extiende bastante más allá de Plutón. Ellos consideran a Plutón como uno de los más de 100.000 mini-planetas que existen en un anillo distante, alrededor del Sol, llamado el "Cinturón Kuiper". Aún más lejos, existe una costra de restos congelados, la "Nube Oort", que rodea al Sistema Solar, y es reconocida por los nuevos cometas que ocasionalmente envía en nuestro camino (La vía Láctea).

Es una limpia explicación. Pero falla rotundamente cuando tratamos de explicar la formación de planetas que orbitan a otras estrellas. El 6 de Octubre de 1995 el astrónomo suizo Michel Mayor y Didier Queloz descubrieron el primer planeta fuera de nuestro Sistema Solar, hallazgo que se confirmó cuatro días más tarde por el cazador de planetas Geoff Marcy y Paul Butler. El planeta descubierto, circulaba en torno a la estrella 51 Pegasi, una estrella como nuestro Sol, ubicada a 50 años luz de la Tierra en la constelación Pegasus.

En esta época de descubrimientos, inmediatamente se plantearon nuevas preguntas. Hasta entonces nadie se había imaginado la existencia de planetas de gran tamaño. Hay que aclarar que sólo se puso de manifiesto su presencia, por un desplazamiento mínimo de la estrella, provocado por la fuerza gravitacional del planeta, que pasaba junto a ella. Sólo un planeta gigante podía mover lo suficiente a su estrella como para que esto fuera detectado desde la Tierra (ver recuadro 1). La sorpresa fue la órbita del planeta. El giraba alrededor de la estrella 51-Pagasi, cada cuatro días, en una órbita de un vigésimo del tamaño de la orbita de la Tierra. Es decir, estaba demasiado cerca de la estrella.

El hecho es que más de un tercio de los planetas que hasta ahora se han descubierto, son como el planeta de 51 Pegasi, y hasta ahora no ha sido posible descubrir nada semejante a nuestro Sistema Solar. Para nuestro Sistema Solar resulta raro la existencia de un gran planeta, más grande que Júpiter y caliente, (un "Júpiter caliente"). Resulta inconcebible un planeta grande y gaseoso, con órbitas tan pequeñas como la de Mercurio. La mayor parte de los teóricos no creen que ellos puedan formarse tan cerca de sus estrellas, con esa intensa radiación y ese continuo ataque de partículas cargadas que debieran rechazar a las materias primas que necesitan para su formación. Es posible que se hubieran formado lejos de la estrella, pero ¿por qué ahora están prácticamente encima de ella?

Más aún, muchos sistemas planetarios muestran signos de una adolescencia caótica. La mayor parte de los planetas extra solares siguen órbitas excéntricas, o de forma oval. En cambio, casi todos los planetas de nuestro sistema solar, están girando en órbitas circulares. Esto es como debe comportarse un planeta en crecimiento. ¿Qué es lo que entonces están creando estos planetas tan anómalos?

Lo probable es que planetas como la Tierra, frente a la existencia de planetas gigantes cercanos a su estrella, fueran tragados o expulsados fuera del sistema. Este razonamiento es lo que hace pensar a muchos astrónomos, que si bien pueden abundar los planetas, es poco probable que existan sistemas como el nuestro.

Como cada vez se descubre nuevos planetas, dos teorías compiten para explicar cómo es que ellos se forman. Douglas Lin de la Universidad de California, Santa Cruz, y Alan Boss de la Carnegie Institution de Washington, lo explican a su modo.

Lin fue una de los pocos astrónomos que no se asombraron por la ubicación de la órbita del planeta de la estrella 51 Pegasi. Catorce años antes, había elaborado modelos matemáticos que le había permitido predecir que los planetas gigantes se formarían rápidamente. Pero los modelos también revelaban que existirían fuerzas de tracción que inevitablemente los desviarían hacia sus estrellas. Hasta 51 Pegasi, nadie le creía. Ahora los teóricos están tratando de especificar las condiciones que permitirían a los planetesimales y a los protoplanetas, permanecer en órbita y no entrar en espiral hacia sus estrellas.

Elucubrando sobre trabajos del teórico ruso V.S. Safronov, Lin cree que antes de llegar a ser gigantes gaseosos, puede acrecerse el polvo y el hielo en embriones masivos planetarios. Sus cálculos demuestran que un núcleo de alrededor de 10 veces más masivos que la Tierra, se vuelve un hambriento predador gravitacional. Rápidamente devora todo el gas y si pudiera consumiría el disco completo. Cuando ya el núcleo alcanza la masa crítica, puede envolverse a sí mismo en una atmósfera masiva de hidrógeno y helio en sólo 10.000 años.

El modelo de Lin también explica elegantemente por qué los planetas gigantes dejan de crecer. En la medida que se desarrollan, atrayendo polvo y gas, abren una brecha en el disco. Lo hacen drenando energía de material de más rápido movimiento dentro de sus órbitas, de modo que el material le cae hacia dentro del planeta. También transfieren energía al gas que se mueve más lento fuera de su órbita, empujándolo hacia afuera. El Telescopio Espacial Hubble (HST) ha captado fotografías de una brecha que se crea en el disco alrededor de una estrella en la constelación Libra.

Estudios recientes de computación muestran que incluso después de abrir una brecha, todavía puede crecer un planeta, alimentado por un chorro de gas del disco exterior. Pero mientras más masivo el planeta, más ancha es la brecha que abre. Es así como eventualmente el voraz gigante crece tan grande, que termina por cortar la fuente de su propio suministro de alimento. Esto puede explicar por qué son raros los planetas que alcancen tamaños de muchas veces más grandes que Júpiter (ver la figura 2).

Hay un problema con el modelo de la acreción del núcleo de Lin: el proceso de dos etapas puede demorar mucho. En el tiempo que se ha formado un núcleo suficientemente masivo (después de un millón de años o más), el disco puede haber perdido la mayor parte de su gas. Sin embargo, Boss piensa que los planetas gigantes no necesitan estos núcleos sólidos de crecimiento lento. Su modelo muestra que si el disco es suficientemente frío y masivo, se quebrará espontáneamente en burbujas que contienen suficiente materia para estar unidas por gravedad. Según él, rápidamente la atracción mutua comprime el gas creando un planeta como Júpiter en menos de 100.000 años.

Ahora parece que en un disco masivo frío, el primer planeta gigante puede barrer a otros. Simulaciones computacionales hechas por Phillip Armitage del Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, muestran un planeta gigante desplazando estelas gemelas de gas de alta densidad. En la figura 1 se muestran en el disco, estas espirales hacia dentro y hacia fuera del planeta. Las estelas son inestables y se rompen en segmentos masivos, suficientes para acrecerse en planetas. En el modelo de Armitage se forman varios gigantes gaseosos casi al mismo tiempo, en distancias que varían entre 5 a 10 unidades astronómicas de la estrella (una "unidad astronómica" es la distancia promedio de la Tierra al Sol). Si el modelo de Armitage está en lo correcto, Júpiter sería el planeta más importante del Sistema Solar y Saturno, Urano y Neptuno habrían acrecido de sus estelas.


Dificultades teóricas
-Soluciones ingeniosas-

Sin abanderizarse con las diferentes opiniones de la competencia, es necesario señalar que todas las teorías enfrentan grandes obstáculos cuando tratan de explicar como los planetas se forman y como sobreviven. Así por ejemplo, pequeños granos de hielo y polvo tienen que pegarse para llegar a crecer y formar planetesimales. Pero su gravedad es muy escasa como para que esto suceda. Lo que es peor, a las temperaturas donde probablemente se forman los planetas gigantes (-175ºC), los trozos de hielo son menos elásticos que pelotas de goma y a esa temperatura tan baja, ni aun las motas de polvo pueden pegarse.

Un grupo de investigadores piensa que pueden esquivar este obstáculo. Ellos descubrieron que cuando, se pica una capa congelada, especialmente una de moléculas orgánicas como el metanol, esta se hace 100 veces más adherente. Como estas substancias químicas abundan en las nubes moleculares y en los discos "protoplanetarios" debería existir un suficiente Velcro tisorgánico para ayudar a que pequeños granos acrecieran hasta formar planetesimales de un kilómetro de diámetro.

Sin embargo, un planeta en crecimiento va a seguir teniendo problemas por delante. Cuerpos del tamaño de un kilómetro o más, no se unen suavemente. Por el contrario, se golpean unos con otros con una energía que a menudo puede hacerlos añicos o por último abrir grandes cráteres en su superficie. No está claro como los planetas pueden impedir ser destruidos.

Podría ser que los planetecimales tuvieran una consistencia inusual. Trabajando con fotografías cercanas de asteroides, ahora los investigadores piensan que los planetas embrionarios, más que monolíticos, son de constitución porosa, como masas de gravilla. Una coalición que podría hacer añicos a un cuerpo sólido, podría justamente usar toda la energía, para arreglar toda la masa. De este modo un planetecimal podría crecer más allá del tamaño mágico de un kilómetro ya que son una colección de fragmentos que pueden adaptarse, y juntar suficiente "pegamento gravitacional" como para mantener todo unido de nuevo.

¿Qué hay de la etapa final de la formación del planeta? Esto es aún un mayor drama de ajustes y coaliciones titánicas. Las simulaciones computacionales muestran docenas o cientos de planetas de tamaño competitivo, luchando por sus órbitas o rompiéndose juntos. Algunas coaliciones son tan energéticas que los planetas se funden enteramente. Después de ellos, casi todos estos planetas simulados comienzan su vida en órbitas excéntricas.

Fue en un choque semejante el que probablemente dio origen a nuestra Luna (Se ha resuelto el misterio del origen de la Luna). Los astrónomos creen que hace como 4.5 mil millones de años, un planeta tan masivo como Marte, chocó con la Tierra. La Luna se habría formado a partir de una condensación de restos que habrían quedado orbitando después de este espectacular choque.

Como Armitage, Fred Rasio del Massachusetts Institute of Technology, piensa que es común para muchos planetas gigantes que se formen al mismo tiempo en órbitas poco espaciadas. El cree que esto causa un juego de "vida o muerte" de choque gravitacionales, lanzando al perdedor al espacio entre 100.000 años o algo más. Sólo sobreviven unos pocos planetas. Las inestables órbitas son reflejos de las batallas que ellos han librado.

Los teóricos sugieren ahora que en nuestro Sistema Solar, Júpiter y Saturno han expulsado a sus hermanos más pequeños, Urano y Neptuno, a órbitas excéntricas. Con el tiempo, restos de material que han quedado en la parte externa del disco protoplanetario, los ha tranquilizado en su recorrido actual.

Mientras los teóricos perfeccionan sus modelos, los observadores permanecen acumulando información de las muchas etapas de la formación de las estrellas y planetas. El Telescopio Espacial Hubble, ha capturado imágenes dramáticas de grandes pilares de gas y polvo en las constelaciones de Hércules y Orión. Allí se ve, emergiendo de las nubes, docenas de estrellas recién nacidas llamadas "proplyds", envueltas en densos discos protoplanetarios. Ellos están listos para correr la carrera de construcción de planetas.

A partir de la década de 1980, los observadores por primera vez detectaron discos, a partir de débiles radiaciones infrarrojas emitidas por polvo dentro de ellos. Frecuentes revisiones indican que el 60% de las estrellas jóvenes tienen discos y podrían dar a luz familias planetarias. El Telescopio Hubble ha enviado recientes imágenes de discos de polvo alrededor de muchas estrellas cercanas. Los paquetes más pequeños, contienen masas de polvo y hielo, con un volumen de 100 masas el tamaño de la Tierra, en un disco más pequeño que la órbita de Saturno. Los más grandes contienen suficiente material como para hacer miles de Tierras y miden 25 veces más que nuestro Sistema Solar. Para comparar, nuestra familia de planetas contiene 500 masas de material como la Tierra.

Los discos formadores de planetas ya han sido observados en diversas etapas de evolución. Los discos jóvenes son masivos y simétricos. Después de unos pocos cientos de miles de años, muchos toman la forma de "doughnut", con su centro claro, donde se están desarrollando planetas. Algunos pocos discos, como uno alrededor de la estrella Beta Pictoris, aparece combado, quizás por la atracción gravitacional de uno o más planetas. Otros incluyendo el disco ceñido al Sol, como las estrella Epsilon Eridani, tiene espacios y manchas brillantes probablemente proveniente de polvo que rodea a nuevos planetas.

Los discos generan planetas sorpresivamente rápido. Estudios de la estrella joven T Tauri de baja masa, en cuyo disco se comenzaron a formar planetas, este se ha desvanecido después de un millón de años. Probablemente nuestro Sistema Solar, también se desarrolló rápido, hace aproximadamente 4.6 mil millones de años.

Los discos se adelgazan con la edad, pero pueden no desvanecerse del todo. Las estrellas más viejas que de unos pocos cientos de millones de años, tienen anillos débiles y distantes. Como el cinturón Kuiper de nuestro Sol, almacena escombros dejados después de la formación de planetas.


Planetas como la Tierra
-Signos de vida-

Todos los planetas extra solares encontrados, corresponden a gigantes gaseosos. Como Júpiter y Saturno, no tienen superficie donde pueda desarrollarse la vida. Muchos se están horneando en órbitas apretadas alrededor de su sol. Más de la mitad siguen órbitas excéntricas, que habrían obliterado cualquier pequeño planeta terrestre que hubiese orbitado cerca de su estrella. Muy pocas estrellas, como la "HR 810" y "Upsilon Andromedae", cobijan planetas dentro de su zona habitable (ver figura 3). Upsilon Andromedae, es la primera de dos estrellas, aparte del Sol, que se ha encontrado que posee un equipo completo de familia planetaria (figura 4). Ahora los investigadores piensan que cuando hay un planeta, probablemente encontraran más.

Los astrónomos están en desacuerdo respecto a cuan común son los planetas como la Tierra. Algunos, incluyendo los líderes de cazadores de planetas (Marcy y Butler), son optimistas. Ellos creen que a muchas estrellas faltándoles "Júpiter calientes", albergan planetas más pequeños. Ellos enfatizan que las técnicas disponibles en la actualidad son las más adecuadas para encontrar gigantes orbitando cerca de su sol, y no detectan satélites como el nuestro.

Lin piensa que después que el último gigante migratorio ha caído dentro de la estrella, su disco todavía puede contener suficiente material como para formar una generación de planetas terrenales, salvándose de gigantes merodeadores. Pero Armitage, no cree que sobrevivan muchos planetas terrenales. En sus modelos la formación de planetas es un proceso violento y caótico. El piensa que batallas gravitacionales, entre gigantes que compiten, destruyen a los pequeños planetas como la Tierra.

Jack Lissauer de la NASA ha tratado de evaluar los factores a favor o en contra de la formación de planetas habitables. El afirma que las estrellas masivas se queman muy rápido, por lo que la vida no alcanza a desarrollarse. Las "estrellas de poca masa", brillan por muchos miles de millones de años, pero están propicias a tormentas que destruyan la vida. Aun alrededor de "estrellas del tamaño del sol", anota Lissauer, se pueden formar sistemas planetarios si estos se logran hacer un lado de las luchas en que se forman los planetas gigantes. En sistemas donde no se forman planetas gigantes, los "planetas del tamaño de la Tierra", sufren una lluvia continua de coaliciones destructivas. Un planeta gigante absorbe restos, como recién lo acaba de hacer Júpiter con el Cometa Shoemaker-Levy 9.

A pesar de los muchos factores que pueden hacer escasos a los planetas habitables, Lissauer aun cree que los planetas como la Tierra son numerosos, dado los miles de millones de estrellas como el Sol, que están en la Vía Láctea. Esto incluye "planetas rocosos" con órbitas estables y temperaturas adecuadas, donde se puedan formar océanos y la vida podría surgir.

La discusión va a continuar, hasta cuando los observadores puedan detectar planetas del tamaño de la Tierra y estudiar su atmósfera para encontrar signos químicos de vida. Afortunadamente los instrumentos espaciales capaces de hacer esto podrían en los próximos 20 años enviar señales a la Tierra (ver recuadro 2).

Hace cuatrocientos años, el filósofo del renacimiento italiano Giordano Bruno fue quemado en Roma, en parte porque argumentó que la Tierra no era única (Giordano Bruno. A la hoguera por disentir). En el año 1584, él escribió: "Existen innumerables soles; innumerables tierras giran alrededor de estos soles en una manera similar a lo que hacen los siete planetas alrededor del sol. Personas vivas habitan esos mundos.

Ahora los astrónomos han mostrado que Bruno tenía razón cuando él intuyó la existencia de innumerables planetas. En un futuro cercano vamos a saber si él tenía razón acerca de la existencia de otras Tierras, y acerca de la vida en esos probables mundos tan distantes.



Robert Adler*

Artículo aparecido en New Scientist: Septiembre 16, 2000. Inside Science 133.