Los troyanos en nuestro Sistema Solar

Evolución en el tiempo (hasta 10 mil años) del polvo (granos entre µm hasta cm) al rededor de los puntos Lagrangianos de un planeta tipo Júpiter. La figura muestra siempre al planeta en la misma posición. El polvo del disco se va evacuando, excepto en los puntos Lagrangianos donde se acumulan Troyanos. La masa final acumulada en ellos es de 3 masas lunares.

En 1772 Lagrange identificó cinco puntos de estabilidad entre tres cuerpos: el Sol, un planeta, y un objeto pequeño. En este contexto, estabilidad hace referencia a que en esos puntos el objeto pequeño será igualmente atraído por los dos cuerpos, con la misma intensidad. A los objetos (asteroides) que comparten la órbita de un planeta se les llama Troyanos, y están ubicados en dos puntos estables de Lagrange, llamados L4 y L5, dónde: L4, está a 60º adelante del planeta y L5, 60º detrás de él. 

Según Lagrange, grandes cantidades de polvo y asteroides (del tamaños de metros a kilómetros) deberían acumularse en estos puntos alrededor de Júpiter, los que fueron observados por primera vez en 1906. Con el avance de la tecnología y nuevas observaciones, se han identificado cientos de Troyanos en el Sistema Solar. Sin embargo, aún no se sabe completamente cómo se forman estos objetos ni porqué pareciera que hay más objetos en un punto de Lagrange que en el otro. A pesar de la existencia de estos puntos de equilibrio, no está claro cuál es la dinámica que permite que polvo y rocas se acumulen, ni a qué velocidad lo hacen -o en qué cantidades-. Más aún, considerando que en los inicios del Sistema Solar, este formaba un disco con un alto contenido de gas (99%) y poco polvo (1%), el origen de los Troyanos debe estar íntimamente relacionado a esta interacción entre gas y polvo.

Buscando responder esta interrogante, un grupo internacional de astrónomos, liderado por Matías Montesinos,  investigador asociado del Max Planck Tandem Group y colaborador del Núcleo Milenio de Formación Planetaria, NPF,  resolvió teóricamente dicha interacción, reconstruyendo así el origen y el pasado remoto de los Troyanos alrededor de un planeta tipo Júpiter.

Seis de los ocho autores de este trabajo pertenecen al NPF. Además de Montesinos, participó Juan Garrido-Deutelmoser, estudiante de postgrado; Johan Olofsson, investigador asociado; Jorge Cuadra, investigador asociado; Amelia Bayo, directora del NPF; y Mario Sucerquia, investigador postdoctoral. La investigación fue publicada en la prestigiosa revista científica Astronomy & Astrophysics.

“Modelamos la evolución de un disco protoplanetario mediante simulaciones hidrodinámicas, tomando en cuenta las interacciones de un planeta tipo Júpiter con el contenido de gas y polvo del disco. Además, consideramos una ecuación de energía, en la que el gas es calentado por la estrella, y enfriado poco a poco mediante radiación de cuerpo negro, permitiendonos modelar de manera más realista la termodinámica y dinámica del proceso”, explica Montesinos.

Los investigadores concluyeron que el polvo efectivamente se aloja en los puntos Lagrangianos, lo que ocurre en un periodo de tiempo corto. En unos 10 mil años debiera acumularse polvo en L4 y L5, en una cantidad aproximadamente de algunas masas lunares. Este polvo se acumula por la interacción gravitacional entre Júpiter y el gas primordial del disco protoplanetario. 

“Notamos además ciertas peculiaridades en la formación final de los Troyanos. Por ejemplo descubrimos una asimetría natural en dónde L5 acumula más masa que L4 (lo cual no es posible determinar sólo con argumentos de estabilidad de Lagrange). Además, encontramos que el reservorio de polvo para el ensamblaje de un Troyano se encuentra solamente en la misma región orbital del planeta. Es decir, los Troyanos “atrapados” en un punto Lagrangiano no provienen de regiones lejanas al planeta (ej., bordes exteriores del disco), sino que de zonas co-rotantes a él, en su misma órbita”, indica Montesinos. El astrofísico agrega que lo anterior quiere decir, por ejemplo, que estos troyanos compartirían la composición química del planeta al que acompañan, al menos en primer orden.

Amelia Bayo, quien también es académica del Instituto de Física y Astronomía de la Universidad de Valparaíso comenta que una de las cosas que me parecen más interesantes del trabajo es que conecta muy directamente el “mundo” de la investigación de exoplanetas,  con lo qué podemos ver en otros sistemas solares, con nuestro sistema solar. “Sabemos por ejemplo que hay muchos sistemas planetarios que son super distintos a nuestro sistema solar, pero parece que la acumulación de polvo en estos puntos y con estas asimetrías debería de ser una característica común del zoo planetario”, indica.

Trabajo a futuro

Un punto interesante para los investigadores es considerar las interacciones con otros planetas del Sistema Solar que pudieron influir en la formación de los Troyanos.

“Como futuros trabajos observacionales, sería interesante intentar detectar estos Troyanos primordiales en ciertos sistemas jóvenes. Hay muchos discos alrededor de estrellas jóvenes, que se asemejan a lo que fue el Sistema Solar. En algunos de ellos se han observado cavidades, supuestamente formadas por planetas, sin embargo ha sido muy difícil detectarlos. Alrededor de estos planetas aún no observados, deberían haber dos enjambres de Troyanos, uno adelante del planeta en L4, y otro siguiéndolo por detrás en L5. Encontrar estas dos grandes acumulaciones de polvo al interior de una cavidad, sería una pista indirecta de la presencia de un planeta oculto en ella”, concluye Matias Montesinos.

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Fuente: Carol Rojas, Núcleo de Formación Planetaria, NPF