La imagen era mucho más limpia hace 20 a 25 años. Presentaré esa bonita imagen limpia primero. Las estrellas se forman a partir del colapso gravitacional de enormes nubes de gas interestelar. Esas nubes de gas inevitablemente tienen un momento angular neto distinto de cero. Esto obliga a la nube de gas a cambiar de forma de ser más o menos esférica a tener forma de disco. (¿Por qué? Esa es una pregunta diferente. Pregúntelo).
Si bien este disco protoplanetario continuó alimentando masa a la creciente protostar, también preparó el escenario para la formación de planetas. La nube de gas era principalmente hidrógeno y helio primordiales, pero también contenía elementos más pesados gracias a la fusión estelar y las supernovas en los miles de millones de años que precedieron a la formación de nuestro sistema solar.
Esos elementos más pesados se comportan de manera bastante diferente que el hidrógeno y el helio. Tienen quimica. Los planetas comenzaron como grupos microscópicos de masa de estos elementos más pesados, unidos químicamente. Estos grupos microscópicos ocasionalmente colisionaron, formando finalmente grupos de masa más grandes. Estos grupos más grandes a su vez chocaron entre sí, formando grupos de masa aún más grandes. Finalmente, los grupos se hicieron lo suficientemente grandes como para interactuar gravitacionalmente, haciéndolos crecer aún más. Este proceso continuó, eventualmente formando protoplanetas, y luego embriones planetarios, y finalmente planetas.
La temperatura en el disco protoplanetario era alta cerca de la protostar en formación, pero cayó precipitadamente al aumentar la distancia desde la protostar. En algún momento, los volátiles como el agua, el amoníaco, el metano y el dióxido de carbono se vuelven tan sólidos como la roca. Esta es la línea de hielo, también conocida como la línea de nieve o la línea de escarcha. Los asteroides dentro de la órbita de Ceres tienden a ser rocosos. Los asteroides fuera de la órbita de Ceres tienden a ser helados.
Los planetas que se forman fuera de la línea de hielo pueden crecer muy rápidamente y luego pueden crecer muy, muy grandes. Las cosas que comprenden el disco protoplanetario orbitan alrededor de la protostar en crecimiento a una velocidad diferente a la sugerida por las leyes de Kepler gracias a la presión de todas esas cosas en el disco. Gracias a la ley del cubo cuadrado, los objetos más grandes no están tan sujetos a esa presión. Esos objetos más grandes orbitan a una velocidad Kepleriana. Los planetas que se forman fuera de la línea de hielo crecen muy rápidamente y luego barren el gas y el hielo porque orbitan a una velocidad diferente a la de los alrededores inmediatos. El resultado son gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno y, más allá, gigantes de hielo como Urano y Neptuno. El crecimiento planetario es un proceso mucho más difícil y un proceso mucho más lento dentro de la línea de hielo. Por eso Mercurio, Venus, la Tierra,
Esa es la linda foto. La imagen no tan bonita:
¿Por qué Mercurio y Marte son mucho más pequeños que Venus y la Tierra?
Las simulaciones sugieren que los planetas rocosos deberían ser más o menos del mismo tamaño. Ese no es el caso en nuestro propio sistema solar, y mucho menos en otros lugares.
¿Cómo podrían haberse formado Urano y Neptuno?
Las simulaciones no pueden recrear a Urano y Neptuno a sus distancias actuales del Sol. El material en el disco protoplanetario debería haber sido demasiado escaso a esas distancias para formar grandes planetas.
Mucho, mucho peor, ¿cuál es el trato con todos los extraños exoplanetas que los científicos han encontrado?
Los científicos han encontrado objetos del tamaño de Júpiter orbitando muy cerca de su sol, objetos del tamaño de Neptuno orbitando donde el modelo simple solo tendría planetas rocosos y planetas en órbitas muy inclinadas (y a veces retrógradas) que no tienen sentido.
Estas simulaciones (que se han vuelto muy buenas) y la gran cantidad de exoplanetas han llevado la teoría de cómo se forman los planetas a la etapa de "eso es divertido". ("La frase más emocionante para escuchar en la ciencia, la que anuncia nuevos descubrimientos, no es" Eureka! "Sino" Eso es divertido ... "", una cita ampliamente atribuida a Isaac Asimov.)