Un equipo internacional de científicos identificó la región donde se formaron los primeros “planetesimales” del Sistema Solar, resolviendo uno de los enigmas más persistentes de la cosmoquímica.

El hallazgo, publicado en la revista The Astrophysical Journal por investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar (MPS), aporta la visión más precisa hasta el momento sobre cómo los granos de polvo primitivos se agruparon para dar origen a los cuerpos que luego se transformarían en planetas y asteroides.

Las simulaciones por computadora indicaron que, en esa franja, la formación de planetesimales no fue un evento único: durante cerca de dos millones de años se fueron ensamblando cuerpos con composiciones muy distintas dentro del mismo “taller” de material.

“Al parecer, distintos tipos de planetesimales se formaron en la misma región del disco primitivo de polvo y gas, solo que en momentos diferentes. La región justo fuera de la órbita de Júpiter ofreció condiciones excelentes para ello”, explicó Joanna Drążkowska, directora del Grupo Lise Meitner sobre formación de planetas y una de las autoras principales del estudio.

El trabajo se concentró en el intervalo de dos a cuatro millones de años después del nacimiento del Sol. Para entonces, Júpiter ya había incorporado gran parte del material cercano a su trayectoria y su gravedad despejó un hueco en el disco circundante, lo que modificó la distribución de gas y polvo.

Un laboratorio natural para el ensamblaje de mundos

La hipótesis tradicional sobre la formación del sistema solar describe al joven Sol rodeado por un extenso disco de gas y polvo. En ese entorno, diminutos granos colisionaron y se fusionaron en cuerpos mayores, los planetesimales, que a su vez fueron la base de los planetas y asteroides actuales. Sin embargo, los investigadores intuían desde hace tiempo que este proceso no fue ni lineal ni uniforme, sino que diferentes zonas del disco evolucionaron bajo condiciones variables y que los planetesimales surgieron en simultáneo en distintas etapas.

El nuevo modelo desarrollado por el equipo del MPS, basado en una simulación bidimensional de Monte Carlo, muestra cómo la órbita de Júpiter provocó una trampa de polvo especialmente eficiente. Cuando el planeta gigante ya se había formado, su gravedad abrió un hueco en el disco circundante, generando una zona de mayor presión de gas justo más allá de su órbita.

En este anillo, las partículas de polvo que migraban por el disco quedaron atrapadas, lo que llevó a la acumulación de enormes cantidades de material. Esa acumulación formó pequeños cúmulos llamados guijarros, que, bajo ciertas condiciones, pudieron fusionarse rápidamente para originar planetesimales.

El estudio demostró que la trampa de polvo permitió la coexistencia y el ensamblaje sucesivo de materiales de distinta naturaleza.

“Para nuestras simulaciones, era crucial modelar el comportamiento y la interacción de ambos materiales tanto a pequeña como a gran escala”, detalló Nerea Gurrutxaga, primera autora del artículo y estudiante de doctorado en el MPS. El modelo integró la evolución del disco de gas, el crecimiento del polvo y la formación de planetesimales, considerando la dinámica de colisiones y la llegada de nuevos materiales desde otras partes del disco.

Las simulaciones lograron reproducir las composiciones y edades de formación observadas en un tipo particular de meteoritos, las condritas carbonáceas. Estas rocas, fragmentos de planetesimales que sobrevivieron casi intactos desde el origen del sistema solar, son clave para entender cómo se ensamblaron los planetas.

“Por primera vez, hemos logrado reproducir con precisión los resultados de estudios de laboratorio sobre meteoritos mediante simulaciones informáticas del sistema solar primitivo. Los meteoritos sirven, por así decirlo, como punto de referencia para las teorías sobre la formación planetaria”, afirmó Thorsten Kleine, director del MPS y cosmoquímico.

Las condritas carbonáceas registran en su interior la diversidad de procesos que definieron la fábrica de planetas. Estas muestras, formadas entre 2 y 4 millones de años después del inicio del sistema solar, contienen inclusiones refractarias (los sólidos más antiguos conocidos, ricos en calcio y aluminio), cóndrulos (esférulas ígneas de tamaño submilimétrico generadas por calentamientos transitorios) y una matriz de grano fino, que representa el material más primitivo del disco.

Un mecanismo selectivo y escalonado para la formación planetaria

El modelo presentado por el equipo del MPS demostró que la eficiencia de la trampa de polvo dependió de la dinámica de las partículas y de la evolución del disco de gas. Las diferencias en el filtrado del polvo y las tasas de suministro de los distintos componentes a la protuberancia de presión inducida por Júpiter explican tanto la variedad de composiciones como el momento de formación de las condritas carbonáceas.

“Existen pruebas contundentes de que las trampas de polvo eran el lugar de nacimiento preferido de los planetesimales en nuestro Sistema Solar”, afirmó Joanna Drążkowska.

Las simulaciones evidenciaron que las inclusiones refractarias y los cóndrulos, por ser más grandes y resistentes, quedaron más fácilmente atrapados en la protuberancia de presión, mientras que los granos de matriz, más pequeños y frágiles, se sumaron progresivamente con el tiempo. Esto generó una secuencia natural, desde planetesimales pobres en matriz hasta cuerpos cada vez más ricos en material fino. El modelo logró explicar la diversidad observada entre los distintos grupos de condritas y sugiere que incluso los meteoritos diferenciados, formados antes de las condritas, también se originaron en trampas de polvo similares.

Durante los primeros 500 000 años, la cantidad de material quebradizo disminuyó antes de volver a aumentar, dando lugar a la aparición de dos poblaciones distintas de planetesimales: un grupo dominado por material frágil y otro por componentes más estables.

El estudio concluyó que el proceso de formación de planetesimales en una única trampa de polvo puede extenderse a lo largo de millones de años, en sintonía con la evolución del disco y la apertura de brechas planetarias.

El modelo también ayuda a entender cómo, en etapas tardías del disco, cuando la densidad del gas disminuye, las velocidades de colisión se vuelven demasiado altas para el crecimiento eficiente del polvo. Bajo esas condiciones, los planetesimales con poca matriz se forman a partir de monómeros rígidos de mayor tamaño, mientras que los planetesimales ricos en matriz surgen más tarde, a partir de polvo mucho más fino.

Este mecanismo, corroborado por las simulaciones, resuelve el misterio de cómo fue posible la formación tardía de planetesimales, cuando el material sólido del disco ya se había agotado en gran medida. Además, explica por qué las condritas carbonáceas, consideradas las muestras más primitivas, presentan composiciones y estructuras tan variables, y por qué pueden hallarse meteoritos con características intermedias.

El hallazgo permite reinterpretar la historia temprana del sistema solar, mostrando que la región exterior a Júpiter fue una “fábrica de planetas” activa y versátil, donde las condiciones cambiaron con el tiempo y favorecieron la formación escalonada de los primeros eslabones del proceso planetario.

Este avance ofrece una clave para comprender la diversidad de cuerpos menores que hoy pueblan el cinturón de asteroides y los confines helados del sistema solar.