El nacimiento del Sistema Solar
Para entender la Tierra, debemos colocar nuestro planeta en el contexto del Sistema Solar, que consiste en la miríada de objetos que están gravitacionalmente unidos al Sol. Los astrónomos que estudian estos objetos han descubierto varias pistas sobre los orígenes del Sistema Solar. El Sistema Solar se formó a partir de una nube gigante de remolinos de polvo y gas hace más de 4.5 mil millones de años. La hipótesis nebular rastrea la historia del Sistema Solar a través de varias etapas evolutivas que finalmente condujeron a la formación del Sol, la Tierra y otros planetas.
La Formación de Galaxias
En términos de nuestra propiedad inmobiliaria circundante, a la escala más grande, somos una pequeña parte de lo que se conoce como el Supercúmulo local de galaxias, o cúmulo de Virgo. Una galaxia es una inmensa colección de decenas a cientos de miles de millones de estrellas. Las galaxias pueden aparecer como formas elípticas difusas, pueden tener grandes brazos espirales, que es probablemente el tipo más familiar, o pueden adoptar una forma más caótica. La clave es que todas las estrellas están unidas gravitacionalmente a la galaxia.
La vasta región del espacio llamada Supercúmulo local tiene más de 100 millones de años-luz de diámetro y contiene muchos miles de galaxias. Y nuestro Supercúmulo local es solo uno de los miles de Supercúmulos conocidos. Dentro del Supercúmulo local, estamos en el Grupo local, que incluye más de 50 galaxias que abarcan un diámetro de aproximadamente 10 millones de años-luz.
Todas las galaxias del Grupo Local están unidas por gravedad a un centro común, que se encuentra en algún lugar entre nuestra gran galaxia espiral (La Vía Láctea) y nuestro “gemelo”, la galaxia de Andrómeda, algo más grande, que está a unos 2 millones de años-luz de distancia. Nuestro grupo local es solo uno de los quizás 100 grupos en el supercúmulo local.
Nuestro hogar galáctico es la galaxia Vía Láctea, que es una gran galaxia espiral con quizás 400 mil millones de estrellas. La edad de la Vía Láctea, basada en las edades de sus estrellas más antiguas, es de aproximadamente 13.2 mil millones de años, que es casi tan antigua como el universo y sugiere que las estrellas y galaxias se formaron bastante rápido después del Big Bang.
Las galaxias no solo se forman a partir de estrellas, son los motores de la formación de nuevas estrellas. A medida que una generación de estrellas explota o arroja sus capas externas, siembra espacio con el polvo y el gas que se convertirán en la próxima generación de estrellas.
Los restos dispersos de viejas estrellas que explotaron están constantemente sujetos a la fuerza organizadora de la gravedad. Por lo tanto, los restos de antiguas generaciones estelares siembran inexorablemente nuevas poblaciones de estrellas formando nuevas nebulosas, cada una crea una vasta nube interestelar de gas y polvo que representa los restos de muchas estrellas anteriores. Cada nueva nebulosa es más rica en hierro que la anterior, y cada una es un poco más pobre en hidrógeno que la población anterior.
Durante miles de millones de años, este ciclo ha continuado, ya que las viejas estrellas produjeron nuevas estrellas y alteraron lentamente la composición del cosmos. Innumerables miles de millones de estrellas surgieron en innumerables miles de millones de galaxias. Las nebulosas abundaban en nuestro vecindario de la galaxia Vía Láctea y se convirtieron en el caldo de cultivo para aún más estrellas.
El Amanecer de Nuestro Sistema Solar
La hipótesis nebular fue descrita por primera vez por el matemático y físico francés Pierre-Simon Laplace, quien describió su teoría en el libro titulado “Exposition du système du monde” (Exposición del sistema del mundo), que se publicó por primera vez en francés en 1796. Cualquier teoría sobre los orígenes del Sistema Solar tuvo que tener en cuenta la distribución distintiva de planetas, plutoides, asteroides, etc.
Las características clave del Sistema Solar que informan la hipótesis nebular son las siguientes.
- La distribución de la masa. El 99.9 por ciento de la masa se concentra en el Sol, con solo alrededor del 0.1 por ciento en todo lo demás: Planetas, lunas, asteroides, cometas, etc.
- La distribución de elementos. El Sistema Solar interior está dominado por planetas rocosos con minerales de silicato, mientras que el Sistema Solar exterior está dominado por hidrógeno, helio y otros elementos y compuestos volátiles.
- La distribución del momento angular. Prácticamente todo el momento angular del Sistema Solar está en los planetas en órbita, principalmente en Júpiter.
- La orientación de las órbitas y rotaciones planetarias. Todas las órbitas están en un plano con la misma dirección de órbita, y el Sol y la mayoría de los planetas giran sobre sus ejes cerca del mismo plano y en la misma dirección.
Según la hipótesis nebular de Laplace, un Sistema Solar comienza como una nebulosa, una nube gigante de polvo y gas, como consecuencia de los fenómenos competitivos de la gravedad, que empuja la masa hacia adentro, y el momento angular, que mantiene la materia en órbita alrededor de una masa central.
En el caso de nuestra nebulosa, la nube probablemente era gigantesca, tal vez un año-luz de diámetro. La composición de nuestra nebulosa era irrelevante: Aproximadamente 90 por ciento de hidrógeno, con varios otros elementos. Las generaciones posteriores de estrellas tienen más elementos pesados; nuestro Sistema Solar puede haber estado precedido por media docena o más ciclos de estrellas en explosión.
La gravedad atrajo gradualmente el polvo y el gas nebulares en una nube cada vez más compacta y más densa. Este proceso de compactación, una vez iniciado, se aceleró a medida que la masa se concentró más y aumentó la fuerza de gravedad centralizada.
Muy lentamente, la inmensa masa arremolinada de gas y polvo pre-solar fue arrastrada hacia el interior. Como un patinador de hielo girando, la gran nube giraba más y más rápido a medida que la gravedad tiraba de sus tenues brazos hacia el centro. A medida que colapsó y giró más rápido, la nube se volvió más densa y se aplanó en un disco con una protuberancia central creciente, lo que se convertiría en el Sol.
Más y más grande creció esa codiciosa bola central, rica en hidrógeno. A medida que crecía, su atracción gravitacional aumentó, por lo que se volvió aún más eficiente para engullir la masa de la nebulosa. Finalmente, el Sol se tragó el 99.9 por ciento de la masa de la nube gigante, pero la mayor parte del momento angular permaneció en los confines exteriores de la nebulosa.
A medida que el Sol creció, las presiones y temperaturas internas se elevaron hasta el punto de fusión, lo que provocó la fusión de hidrógeno para crear nuevos núcleos de helio, encendiendo el Sol. Cada estrella es un acto de equilibrio entre dos fuerzas en competencia: la gravedad empuja hacia adentro, lo que hace que la temperatura y la presión aumenten más y más, y luego comienzan las reacciones de fusión, que agregan más temperatura y presión y empujan hacia afuera.
El encendido del Sol marcó el comienzo del Sistema Solar, un evento que ahora data con confianza hace aproximadamente 4.5 mil millones de años. El Sol define el Sistema Solar, que es simplemente la región del espacio que contiene todo: Planetas, lunas, asteroides, cometas, polvo, gas y cualquier otro residuo que esté gravitacionalmente unido al Sol.
La energía nuclear tardó unas decenas de miles de años en llegar a la superficie del Sol, pero cuando lo hizo, un fuerte viento solar comenzó a salir del Sol a través del resto del Sistema Solar.
El calor y el viento del Sol despojaron a los planetas internos de la mayor parte de su hidrógeno, helio y otros volátiles. Ese proceso dejó atrás los cuatro planetas terrestres rocosos. Mucho más lejos, era lo suficientemente frío como para que el hidrógeno y el helio se condensaran en los cuatro planetas jovianos.
La dirección y el plano orbitales compartidos, así como la similitud de las rotaciones axiales del Sol y la mayoría de los planetas, es una reliquia de la nebulosa giratoria original. El momento angular se conserva, por lo que la rotación neta de la nebulosa se conserva hasta el día de hoy como las órbitas y rotaciones de los planetas.
¿Existen otros sistemas solares como el nuestro?
La hipótesis nebular de Pierre-Simon Laplace fue adoptada porque es simple, elegante y explica las principales características que observamos hoy en nuestro propio Sistema Solar. El apoyo a la hipótesis nebular proviene de diversas fuentes.
Primero, uno puede usar modelos de computadora que hacen un seguimiento de la evolución de una nube de polvo bajo la gravedad. Sorprendentemente, en la mayoría de las condiciones, no obtienes una estrella. En la mayoría de las simulaciones por computadora, dos estrellas terminan formando un sistema estelar binario. Este sorprendente resultado es una consecuencia de la cantidad de momento angular inicial. Las nubes de rotación más rápida tienden a extender la masa en dos grumos. Esta teoría también es confirmada por observaciones.
Cuando solo una estrella domina un sistema, algunos cálculos sugieren que un patrón de planetas como el nuestro es bastante probable. Pero los cálculos deben ser probados por observaciones del mundo real. Somos afortunados de vivir en una época de descubrimientos planetarios sin precedentes, gracias a la búsqueda continua de planetas extrasolares o exoplanetas.
Algunos de los primeros datos críticos provienen del telescopio espacial Hubble, que ha producido imágenes dramáticas de lo que se cree que son regiones dinámicas de formación estelar en el espacio cercano. Algunas fotos del Hubble muestran inmensas concentraciones de polvo, con dramáticos dedos de materia, como se ve, por ejemplo, en las vistas ahora famosas de la Nebulosa del Águila.
El telescopio espacial Hubble también ha capturado fotos de lo que parecen ser estrellas rodeadas de discos de polvo aplanado. Estos objetos pueden ser sistemas solares en su primer millón de años de formación, cuando la estrella se ha encendido, cuando los planetesimales se están formando y colisionando para formar protoplanetas.
Otra área importante de la investigación planetaria es la búsqueda de planetas extrasolares. Los potentes telescopios, tanto en tierra como en órbita, brindan oportunidades increíbles para detectar la presencia de planetas que orbitan estrellas relativamente cercanas en la Vía Láctea. Todavía no es posible ver la mayoría de los exoplanetas directamente en un telescopio, pero varias técnicas de telescopio revelan su presencia.
La técnica que se usó primero para identificar cientos de planetas más allá de nuestro Sol consiste en buscar un ligero bamboleo periódico que se produce cuando una estrella y uno de sus planetas más grandes orbitan alrededor de un centro común. Entre los hallazgos más interesantes de este tipo de investigación de exoplanetas está que muchos sistemas planetarios son bastante diferentes de nuestro propio Sistema Solar.
Referencias
The Crowded Universe: The Search for Living Planets
Alan Boss
Roberth M. Hazen
James Trefil, Robert M. Hazen