La acreción de guijarros es la acumulación de partículas , que van desde centímetros hasta metros de diámetro, en planetesimales en un disco protoplanetario que se ve reforzada por la resistencia aerodinámica del gas presente en el disco. Este arrastre reduce la velocidad relativa de los guijarros cuando pasan por cuerpos más grandes, evitando que algunos escapen de la gravedad del cuerpo. Estos guijarros luego son acumulados por el cuerpo después de girar en espiral o asentarse hacia su superficie. Este proceso aumenta la sección transversal sobre la cual los cuerpos grandes pueden acumular material, acelerando su crecimiento. El rápido crecimiento de los planetesimales mediante la acumulación de guijarros permite la formación de núcleos de planetas gigantes en el Sistema Solar exterior antes de la dispersión del disco de gas. Una reducción en el tamaño de los guijarros a medida que pierden hielo de agua después de cruzar la línea de hielo y una densidad decreciente del gas con la distancia al Sol ralentizan las tasas de acumulación de guijarros en el Sistema Solar interior, lo que da como resultado planetas terrestres más pequeños, una pequeña masa de Marte. y un cinturón de asteroides de baja masa.
Los guijarros que varían en tamaño desde centímetros hasta un metro se acumulan a un ritmo mayor en un disco protoplanetario . Un disco protoplanetario está formado por una mezcla de gas y sólidos que incluye polvo, guijarros, planetesimales y protoplanetas . [1] El gas en un disco protoplanetario está soportado por presión y, como resultado, orbita a una velocidad más lenta que los objetos grandes. [2] El gas afecta los movimientos de los sólidos de diversas maneras dependiendo de su tamaño, con el polvo moviéndose con el gas y los planetesimales más grandes orbitando en gran medida sin verse afectados por el gas. [3] Los guijarros son un caso intermedio, la resistencia aerodinámica hace que se asienten hacia el plano central del disco y orbiten a una velocidad subkepleriana, lo que resulta en una deriva radial hacia la estrella central . [4] Los guijarros frecuentemente encuentran planetesimales como resultado de sus velocidades más bajas y su deriva hacia adentro. Si sus movimientos no se vieran afectados por el gas, sólo una pequeña fracción, determinada por el enfoque gravitacional y la sección transversal de los planetesimales, sería acrecentada por los planetesimales.
El resto seguiría trayectorias hiperbólicas , acelerando hacia el planetesimal al acercarse y desacelerando al alejarse. Sin embargo, la resistencia que experimentan los guijarros crece a medida que aumentan sus velocidades, ralentizándose lo suficiente como para quedar ligados gravitacionalmente al planetesimal. [5] Estos guijarros continúan perdiendo energía a medida que orbitan el planetesimal, lo que hace que giren en espiral hacia el planetesimal y sean acrecentados por él. [6] [7]
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Los pequeños planetesimales acumulan guijarros que pasan a su lado a la velocidad relativa del gas. Esos guijarros con tiempos de parada similares al tiempo Bondi del planetesimal se acumulan dentro de su radio Bondi. En este contexto, el radio de Bondi se define como la distancia a la que un objeto que se acerca a un planetesimal a la velocidad relativa del gas se desvía un radian; el tiempo de parada es la escala de tiempo exponencial para la desaceleración de un objeto debido al arrastre de gas, y el tiempo de Bondi es el tiempo necesario para que un objeto cruce el radio de Bondi. Dado que el radio de Bondi y el tiempo de Bondi aumentan con el tamaño del planetesimal, y el tiempo de parada aumenta con el tamaño del guijarro, el tamaño óptimo del guijarro aumenta con el tamaño del planetesimal.
Los objetos más pequeños, con relaciones entre tiempos de parada y tiempos de Bondi inferiores a 0,1, son extraídos del flujo más allá del planetesimal y acretados desde un radio más pequeño que disminuye con la raíz cuadrada de esta relación. Los guijarros más grandes y débilmente acoplados también se acumulan de manera menos eficiente debido a tres efectos corporales, con el radio acumulado al disminuir rápidamente entre proporciones de 10 y 100. El radio de Bondi es proporcional a la masa del planetesimal, por lo que la tasa de crecimiento relativo es proporcional a la masa al cuadrado. resultando en un crecimiento desbocado. [9] La desviación aerodinámica del gas alrededor del planetesimal reduce la eficiencia de la acumulación de guijarros, lo que da como resultado una escala de tiempo de crecimiento máxima a 100 km. [10]
Los planetesimales más grandes, por encima de una masa de transición de aproximadamente la masa de Ceres en el sistema solar interior y la masa de Plutón en el sistema solar exterior, [11] acumulan guijarros con números de Stokes cercanos a uno desde sus radios de Hill. El "número de Stokes" en este contexto es el producto de detener el tiempo y la frecuencia kepleriana . Al igual que con los planetesimales pequeños, el radio a partir del cual se acumulan los guijarros disminuye según los tamaños de guijarros son cada vez más pequeños. El tamaño óptimo de los guijarros para planetesimales grandes mide en cm debido a una combinación del radio de acreción y las tasas de deriva radial de los guijarros. A medida que los objetos crecen, su acreción cambia de 3-D, con acreción desde parte del espesor del disco de guijarros, a 2D con acreción desde el espesor total del disco de guijarros. La tasa de crecimiento relativo en la acreción 2-D es proporcional a la masa, lo que conduce a un crecimiento oligárquico y a la formación de cuerpos de tamaño similar. [9] La acreción de guijarros puede dar como resultado la duplicación de la masa de un núcleo con masa similar a la de la Tierra en tan solo 5500 años, [11] reduciendo las escalas de tiempo para el crecimiento de los núcleos de planetas gigantes en 2 o 3 órdenes de magnitud en relación con la acreción planetesimal. [9] La influencia gravitacional de estos cuerpos masivos puede crear una brecha parcial en el disco de gas que altera el gradiente de presión. [11] La velocidad del gas luego se vuelve superkepleriana fuera de la brecha, lo que detiene la deriva de los guijarros hacia adentro y pone fin a la acumulación de guijarros. [3]
Si la formación de guijarros es lenta, su acumulación conduce a la formación de algunos planetas gigantes en el Sistema Solar exterior . La formación de gigantes gaseosos es un problema de larga data en la ciencia planetaria . [12] La acreción de los núcleos de planetas gigantes a través de la colisión y fusión de planetesimales es lenta y puede ser difícil de completar antes de que el disco de gas se disipe. [1] No obstante, la formación mediante colisiones planetesimales se puede lograr dentro de la vida útil típica de un disco protoplanetario . [13] [14] Los planetesimales más grandes pueden crecer mucho más rápido mediante la acumulación de guijarros, [9] pero si la formación o entrega de guijarros es rápida, se forman numerosos planetas con masa terrestre en lugar de unos pocos núcleos de planetas gigantes. [15] A medida que los objetos más grandes se acercan a la masa terrestre, el radio desde el cual se acumulan los guijarros está limitado por el radio de Hill . [2] Esto ralentiza su crecimiento en relación con sus vecinos y permite que muchos objetos acumulen masas similares de guijarros.
Sin embargo, si la formación o la entrega de guijarros es lenta, las escalas de tiempo de crecimiento se vuelven más largas que el tiempo requerido para la agitación gravitacional. Los planetesimales más grandes excitan entonces las inclinaciones y excentricidades de los planetesimales más pequeños. [16] Sus órbitas inclinadas mantienen a los pequeños planetesimales fuera del estrecho disco de guijarros durante la mayor parte de sus órbitas, lo que limita su crecimiento. [15] El período de crecimiento desbocado se extiende entonces y los objetos más grandes son capaces de acumular una fracción considerable de los guijarros y crecer hasta convertirse en núcleos de planetas gigantes. [17] A medida que los núcleos crecen, algunos alcanzan masas suficientes para crear espacios parciales en el disco de gas, alterando su gradiente de presión y bloqueando la deriva hacia adentro de los guijarros. Luego se detiene la acumulación de guijarros y la envoltura de gas que rodea el núcleo se enfría y colapsa, lo que permite la rápida acumulación de gas y la formación de un gigante gaseoso. Los núcleos que no crecen lo suficiente como para limpiar los huecos en el disco de guijarros sólo son capaces de acumular pequeñas envolturas de gas y convertirse en gigantes de hielo . [3] El rápido crecimiento a través de la acreción de guijarros permite que los núcleos crezcan lo suficiente como para acumular envolturas de gas masivas formando gigantes gaseosos, evitando al mismo tiempo migrar muy cerca de la estrella. En simulaciones, gigantes gaseosos fríos como Júpiter y Saturno pueden formarse mediante acreción de guijarros si sus embriones iniciales comenzaron a crecer más allá de las 20 UA. Esta formación distante ofrece una posible explicación para el enriquecimiento de Júpiter en gases nobles. [18] [19] Sin embargo, los modelos de formación específicos indican que es difícil conciliar el crecimiento a través de la acreción de guijarros con la masa final y la composición de los gigantes de hielo del sistema solar Urano y Neptuno . [20] [21]
Los planetas terrestres pueden ser mucho más pequeños que los planetas gigantes debido a la sublimación del hielo de agua cuando los guijarros cruzan la línea de hielo . La deriva radial de los guijarros los lleva a través de la línea de hielo donde el hielo de agua se sublima liberando granos de silicato . [22] Los granos de silicato son menos pegajosos que los granos helados, lo que provoca rebotes o fragmentación durante las colisiones y la formación de guijarros más pequeños. [23] Estos guijarros más pequeños se dispersan en un disco más grueso por la turbulencia en el disco de gas. El flujo másico de sólidos que se desplazan a través de la región terrestre también se reduce a la mitad debido a la pérdida de hielo de agua. En combinación, estos dos factores reducen significativamente la velocidad a la que los planetesimales acumulan masa en el Sistema Solar interior en relación con el Sistema Solar exterior. Como resultado, los embriones planetarios de masa lunar en el Sistema Solar interior pueden crecer sólo hasta alrededor de la masa de Marte, mientras que en el Sistema Solar exterior pueden crecer hasta más de 10 veces la masa de la Tierra, formando los núcleos de planetas gigantes. [23] [22] Comenzar, en cambio, con planetesimales formados a través de inestabilidades de transmisión produce resultados similares en el Sistema Solar interior. En el cinturón de asteroides, los planetesimales más grandes crecen hasta convertirse en embriones con masa de Marte. Estos embriones agitan a los planetesimales más pequeños, aumentando sus inclinaciones y provocando que abandonen el disco de guijarros. El crecimiento de estos planetesimales más pequeños está estancado en este punto, congelando su distribución de tamaño cerca de la del actual cinturón de asteroides. La variación de la eficiencia de acreción con el tamaño de los guijarros durante este proceso da como resultado la clasificación por tamaño de los cóndrulos observados en los meteoritos primitivos. [24]
En la zona terrestre la acumulación de guijarros juega un papel menor. [23] Aquí el crecimiento se debe a una mezcla de guijarros y acreción planetesimal hasta que se forma una configuración oligárquica de embriones aislados en masa lunar. El crecimiento continuo debido a la acumulación de cóndrulos que se desplazan hacia adentro aumenta la masa de estos embriones hasta que sus órbitas se desestabilizan, lo que lleva a impactos gigantes entre los embriones y la formación de embriones del tamaño de Marte. [23] [24] El corte de la deriva hacia adentro de los guijarros helados por la formación de Júpiter antes de que la línea de hielo se moviera hacia la región terrestre limitaría la fracción de agua de los planetas formados a partir de estos embriones. [25]
La pequeña masa de Marte y el cinturón de asteroides de baja masa pueden ser el resultado de que la acumulación de guijarros se vuelve menos eficiente a medida que disminuye la densidad del gas en el disco protoplanetario. Se cree que el disco protoplanetario a partir del cual se formó el Sistema Solar tenía una densidad superficial que disminuía con la distancia al Sol y se ensanchaba, con un espesor creciente con la distancia al Sol. [26] Como resultado, la densidad del gas y la resistencia aerodinámica sentida por los guijarros incrustados en el disco habrían disminuido significativamente con la distancia. Si los guijarros fueran grandes, la eficiencia de su acumulación disminuiría con la distancia al Sol, ya que la resistencia aerodinámica se vuelve demasiado débil para que los guijarros sean capturados durante los encuentros con los objetos más grandes. Un objeto que crece rápidamente a la distancia orbital de la Tierra sólo crecería lentamente en la órbita de Marte y muy poco en el cinturón de asteroides. [6] La formación del núcleo de Júpiter también podría reducir la masa del cinturón de asteroides al crear una brecha en el disco de guijarros y detener la deriva hacia adentro de los guijarros desde más allá de la línea de hielo. Los objetos en el cinturón de asteroides se verían privados de guijarros tempranamente, mientras que los objetos en la región terrestre continuarían acumulando guijarros que llegaban desde la región de asteroides. [26]
