Explican la formación de planetas gigantes

Explican la formación de planetas gigantes
Por Patricia López en la UNAM Núm. 4, 697

Desde hace tiempo se sabe que hay planetas gigantes como Júpiter –después del Sol, el mayor cuerpo celeste del sistema solar–, pero en astronomía es un problema abierto saber cómo se forman. En el Instituto de Ciencias Físicas, los investigadores Frédéric Masset y Gloria Koenigsberger, junto con los alumnos doctorales Pablo Benítez-Llambay y Judit Szulágyi, encontraron respuestas en un análisis basado en simulaciones numéricas, que profundiza en la migración planetaria.

“Es esencialmente un estudio numérico,  por supercomputadora, del fenómeno de migración planetaria, durante el que los planetas que están en formación, que nacen en su disco protoplanetario, no se quedan en una órbita fija, pues ésta se puede expandir o contraer. Generalmente se contrae y éstos decaen rápidamente hacia su estrella, lo que amenaza su supervivencia”, explicó Masset, doctor en astrofísica y técnicas espaciales.

La indagación, cuyos resultados se publicaron en la revista Nature, mostró la existencia de un mecanismo que permite a los planetas en formación contrarrestar la decaída hacia su estrella, ayudándoles a sobrevivir a grandes distancias de ella para, eventualmente, convertirse en gigantes como Júpiter.

El problema era cómo se forman, porque si cada vez que empiezan ese proceso migran hacia su estrella, entonces no pueden llegar a crear uno como Júpiter en las zonas donde se localizan, añadió Koenigsberger, doctora en astronomía.

Efecto de planetesimales

Los científicos encontraron un proceso muy eficiente, que es el bombardeo de planetesimales, pequeñísimos planetas semejantes a asteroides, que caen sobre el astro naciente y le hacen crecer.

Al bombardear al embrión planetario, los planetesimales lo calientan mucho, y aquél tiene una superficie de magma que a su vez calienta al disco en que se encuentra. Ese aumento de temperatura cambia la fuerza de marea que ejerce el disco sobre el planeta y evita que éste se precipite hacia su estrella. “Estas condiciones lo detienen. Mientras esté así puede aguantar o hasta revertir su migración”, destacó Masset.

Los universitarios identificaron a los planetesimales, y el calor que generan, como una red de protección que previene la migración de los embriones planetarios hacia el centro del disco de formación.

Sus simulaciones numéricas demostraron que el calentamiento del planeta, que ocurre conforme se hace de más masa y crece, produce una fuerza que contrarresta la migración hacia el centro del disco, lo que permite que se formen los gigantes.

Considerar ese proceso puede ayudarles a entender mejor la formación de gigantes y a conocer aspectos más detallados del origen de nuestro sistema solar. Con este estudio y su código, los científicos contribuyen al debate sobre si así surgió Júpiter. “Aportamos un nuevo mecanismo, pero hay que investigar más”, afirmó Masset.

Al haber ahora un dispositivo físico que permite que el planeta migre hacia afuera mientras está en formación, en vez de que lo haga hacia adentro, abre una puerta a la indagación sobre la creación de grandes astros, agregó Koenigsberger.

La adquisición de la supercomputadora utilizada y la ejecución del proyecto se financiaron con cuatro proyectos, dos PAPIIT de la UNAM y dos del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

Código propio

Masset y su alumno Benítez-Llambay (con casi cuatro años de trabajo conjunto) elaboraron un código computacional propio, que aprovecha el poder de las tarjetas gráficas.

Las GPU (siglas de graphics processing unit, unidad de procesamiento gráfico) constituyen una nueva modalidad de cómputo muy rápido que se usa en videojuegos. Tienen alto desempeño, pero hay que saber programarlas. “Desarrollamos un traductor del lenguaje de programación para GPU y conseguimos un clúster de GPU con gran capacidad a bajo costo. El código que implementamos es propio y nos permite correr simulaciones numéricas”, indicó Masset.

Asimismo, mencionó que una sola GPU equivale a 50 núcleos modernos de CPU (central processing unit, unidad central de procesamiento), y una hora de su clúster resuelve un problema que tardaría mil horas en un núcleo de CPU. “La exploración numérica que realizamos requirió tres semanas completas de todas las GPU de nuestra supercomputadora, que equivale a casi medio millón de horas CPU para cálculos matemáticos”, subrayó, al tiempo que aclaró que su código, llamado FARGO3D, es público, disponible para quien lo quiera utilizar.

Actualmente hay científicos que usan FARGO3D en su versión anterior (FARGO) y comienzan a emplear este código GPU, que tiene la capacidad de hacer modelos de la realidad en tres dimensiones, un reto computacional complejo y costoso.

Mayor metalicidad

El estudio de los especialistas del Instituto de Ciencias Físicas también ayuda a entender una correlación interesante entre la presencia de planetas gigantes y el contenido de elementos pesados de la estrella anfitriona. “Los astrónomos definimos la metalicidad de un astro como la fracción de elementos pesados, como el hierro, carbono y nitrógeno que contiene”, expuso Koenigsberger.

“Desde hace tiempo se sabe que es mucho mayor la probabilidad de encontrar un planeta gigante en torno a una estrella de metalicidad superior a la del Sol. Resulta que la tasa de calentamiento del planeta embrión depende de la cantidad de meteoritos y planetesimales que caen sobre él, y el número de éstos, a más metalicidad, mayor acreción y calentamiento, lo que favorece que el cuerpo naciente pueda frenar o revertir su migración hacia la estrella central”, remarcó.

Por ello, las estrellas con mucha metalicidad probablemente pueden engendrar planetas gigantes de órbitas lejanas como Júpiter, concluyeron.

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