Formación del sistema solar

Uno de los objetivos de la astronomía es comprender el origen de las cosas y encontrar respuestas a preguntas muy antiguas sobre el origen del Universo, del Sol, de la Tierra y de nosotros mismos.

Hay algunas hipótesis sobre la formación y la evolución del sistema solar, en las que se ven implicadas varias ramas científicas, como la astronomía, la física, la geología o la ciencia planetaria. En este artículo describimos la hipótesis de mayor consenso entre el mundo científico: la hipótesis nebular.

La hipótesis nebular es un modelo que fue desarrollado inicialmente en el siglo XVIII por Emanuel Swedenborg, Immanuel Kant y Pierre-Simon Laplace. Este modelo se ha ido ajustando con el paso de los años gracias a los datos obtenidos tanto por la era espacial como por los nuevos telescopios. Los objetos celestes del sistema solar conservan patrones que nos dan información sobre la formación de nuestro sistema.

Además, los recientes descubrimientos de miles de exoplanetas orbitando alrededor de otras estrellas ha demostrado que otros sistemas planetarios pueden ser muy diferentes de nuestro sistema solar. Por ejemplo, algunos sistemas tienen planetas de tamaño intermedio entre los planetas terrestres y los planetas gaseosos. Incluso se han encontrado planetas gigantes orbitando muy cerca de su estrella.

La edad del sistema solar

Se ha determinado la edad del sistema solar de forma aproximada gracias a los meteoritos. Mediante la técnica de datación radiométrica se puede conocer la edad de las rocas y minerales. Aplicando esta técnica en meteoritos más antiguos que se han encontrado, los científicos estiman que el sistema solar tiene unos 4.600 millones de años de antigüedad, como mínimo.

El meteorito más antiguo

El meteorito más antiguo encontrado hasta la fecha tiene una edad de 4.565 millones de años, y se llama Erg Chech 002, también llamado EC 002. Este meteorito fue encontrado en el desierto del Sáhara en el año 2020, y se formó cuando el sistema solar sólo tenía dos millones de años.

Esta roca fue analizada por un equipo internacional liderado por Jean-Alix Barrat, de la Universidad de Bretaña Occidental (UBO). Se trata de un meteorito diferente de la mayoría de meteoritos encontrados hasta ahora y eso indica, según los científicos, que formó parte de los protoplanetas más antiguos.

Además de ser el meteorito más antiguo encontrado hasta la fecha —siendo un millón de años más antiguo que el anterior—, Barrat considera que continuará siendo el más antiguo por mucho tiempo:

Cuanto más te acercas a los inicios del sistema solar, más difícil es obtener muestras. Es probable que no encontremos otra muestra más antigua que esta.

La nebulosa solar: una esfera de gas y polvo

Una forma de abordar nuestra cuestión de origen es buscar regularidades entre los planetas. Descubrimos, por ejemplo, que todos los planetas se encuentran en casi el mismo plano y giran en la misma dirección alrededor del Sol. El Sol también gira en la misma dirección sobre su propio eje. Los astrónomos interpretan este patrón como evidencia de que el Sol y los planetas se formaron juntos a partir de una nube giratoria de gas y polvo que llamamos la nebulosa solar.

Según la hipótesis nebular se estima que hace 4.600 millones de años empezó a formarse el sistema solar a partir de una gran nube molecular de gas y polvo. Esta nube inicialmente tenía varios años luz de largo y fue donde nacieron algunas estrellas, luego se colapsó sobre el centro más denso debido a su propio peso. La nube adquirió un movimiento en rotación y se formó un disco alrededor del Sol naciente.

En un artículo de 2009 se sugirió que el Sol nació en un cúmulo estelar, junto a otras estrellas en formación. Este cúmulo tenía una masa de entre 500 y 3.000 masas solares, y se piensa que el resto de las estrellas se dispersaron con los años. El Sol se pudo haber formado en la nebulosa protosolar, que es una región de gas colapsante y cuyo diámetro era de entre 7.000 y 20.000 UA (Unidades Astronómicas).

El tiempo de vida de la nebulosa solar

Investigadores del MIT estudiaron en el año 2017 las orientaciones magnéticas de meteoritos con una antigüedad de 4.653 millones de años, y llegaron a la conclusión de que la nebulosa solar duró entre 3 y 4 millones de años en los inicios de la formación del sistema solar.

Esta estimación sugiere que la estructura del sistema solar quedó establecida durante los primeros 4 millones de años. Los planetas gigantes de gas (Júpiter y Saturno) se formaron durante los primeros 4 millones de años de formación del sistema solar, finalizando además la migración a sus posiciones orbitales durante este período.

Un disco en rotación

El Sol liberó una gran cantidad de calor que provocó la aglomeración de la materia; algunos cúmulos de materia medían varios kilómetros. Cuando la nebulosa protosolar colapsó hizo que el disco girara más rápido y el material se condensó, de modo que los átomos comenzaron a colisionar.

Disco en rotación del sistema solar primitivo
Ilustración artística del disco en rotación del sistema solar primitivo.
Crédito de imagen: ESO, del 08/09/2008.

El centro de la nebulosa se volvió cada vez más caliente que el círculo de su alrededor. La forma de disco se hizo más pronunciada, también conocida como disco protoplanetario, con un diámetro de unas 200 UA aproximadamente, y una protoestrella en el centro del disco (el Sol).

Pasados 100 millones de años, aumentó mucho la temperatura y la presión en el núcleo del Sol, y su hidrógeno empezó a fundirse. Se creó una fuente de energía interna que contrarrestó la fuerza de contracción gravitacional, hasta alcanzar el equilibrio hidrostático.

La formación de los planetas

Los planetas se formaron mediante el proceso de acreción (unión por colisión), gracias a la aglomeración de granos de polvo en órbita alrededor del Sol. Primero se formaron cuerpos largos, planetasimales, que incrementaron gradualmente por colisiones constantes durante los siguientes millones de años.

La composición de los planetas nos da muchas pistas sobre sus orígenes. Mediante análisis espectroscópico podemos determinar qué elementos están presentes en el Sol y en los planetas. El Sol tiene la misma composición dominada por hidrógeno que Júpiter y Saturno, y por lo tanto parece haberse formado a partir del mismo material.

En comparación, los planetas terrestres son relativamente deficientes en gases ligeros y en diversos hielos que se forman a partir de los elementos comunes de oxígeno, carbono y nitrógeno. En estos planetas interiores vemos principalmente elementos pesados más raros, como el hierro y el silicio.

Este patrón sugiere que los procesos que condujeron a la formación de planetas en el sistema solar interno deben haber mantenido los materiales más pesados más cerca del Sol, y deben haber alejado los materiales más ligeros hacía el exterior.

Recreación artística de un sistema planetario en desarrollo
Recreación artística de un sistema planetario en desarrollo o disco protoplanetario.
Crédito de imagen: NASA/JPL-Caltech, del 08/02/2005.

En el exterior se formaron cuatro grandes masas que dieron origen a los planetas gigantes gaseosos. La fuerza de la gravedad de Júpiter hizo imposible que se unieran los objetos protoplanetarios, hoy conocidos por el nombre de cinturón de asteroides. Júpiter y Saturno pudieron juntar mucho material y se convirtieron en gigantes gaseosos, mientras que Urano y Neptuno capturaron menos material, y son conocidos como gigantes de hielo porque sus núcleos están hechos principalmente de hielo.

Buscando la evidencia

Un enfoque diferente para comprender el origen del sistema solar es buscar evidencia de la formación de otros sistemas planetarios. No podemos mirar atrás en el tiempo para ver la formación de nuestro propio sistema, pero muchas estrellas en el espacio son mucho más jóvenes que el Sol. En estos sistemas planetarios, los procesos de formación de planetas aún podrían ser accesibles para la observación directa.

Observamos que hay otras nebulosas solares: nubes de gas y polvo aplastadas que giran alrededor de las estrellas jóvenes. Estos discos se parecen a las etapas iniciales de formación de nuestro sistema solar tal y como era hace miles de millones de años.

Discos protoplanetarios en la Nebulosa de Orión
Imagen del Telescopio Espacial Hubble (HST) de una porción de la Nebulosa de Orión (M42), un «criadero de estrellas» probablemente parecido a la nebulosa en la que se formó nuestro Sol. Se observan cinco estrellas jóvenes rodeadas de discos protoplanetarios de gas y polvo que podrían evolucionar hasta formar planetas. El campo de visión mide 0,14 años luz.
Crédito de imagen: C.R. O'Dell/Rice University; NASA, del 29/12/1993.

Dentro de los pliegues gaseosos de la Nebulosa de Orión, los investigadores han identificado dos tipos diferentes de discos protoplanetarios alrededor de estrellas jóvenes que todavía están en formación: las que se encuentran cerca de la estrella más brillante del cúmulo (Theta 1 Orionis C) y las que están más lejos de ella.

Esta estrella calienta el gas en los discos cercanos, haciendo que brillen intensamente. Los discos que están más lejos no reciben suficiente radiación energética de la estrella como para encender el gas. Por esta razón, sólo se pueden detectar como siluetas oscuras contra el fondo de la nebulosa brillante. Al estudiar estos discos recortados, los astrónomos pueden caracterizar mejor las propiedades de los granos de polvo que se cree que se aglomeran y forman planetas como el nuestro.

Atlas con los 30 discos protoplanetarios en la Nebulosa de Orión (M42)
Atlas de 30 discos protoplanetarios descubiertos en la Nebulosa de Orión (M42).
Crédito de imagen: NASA/ESA y L. Ricci (ESO).

Es poco habitual ver imágenes de discos protoplanetarios, pero gracias a la alta resolución y sensibilidad del Telescopio Espacial Hubble (HST), y gracias a la proximidad de la Nebulosa de Orión a la Tierra, se pudieron obtener estas fotos de varios sistemas planetarios en formación.

Hipótesis alternativas del origen del sistema solar

A pesar de que la hipótesis nebular es la de mayor consenso entre la comunidad científica, todavía enfrenta el problema del momento angular. Es decir, que si el Sol se hubiera formado realmente por el colapso de una nebulosa, los planetas deberían estar girando más lentamente. Y por otra parte, a pesar de que el Sol representa el 99,9% de la masa del sistema solar, contiene sólo el 1% de su momento angular; por lo tanto, el Sol debería estar rotando mucho más rápido.

Lista de algunas hipótesis alternativas (ordenadas por año):

  • Hipótesis meteorítica de Lockyer (1890).
  • Hipótesis caótica de Ligondes (1897).
  • Hipótesis de la panspermia de Arrhenius (1903).
  • Hipótesis planetasimal de Chamberlin-Moulton (1904).
  • Hipótesis de la captura de See (1910).
  • Hipótesis de marea de Jeans-Jeffreys (1918).
  • Hipótesis colisional de Lyttleton (1936).
  • Hipótesis etegórica de Alfvén (1940).
  • Hipótesis de nube interestelar de Schmidt (1943).
  • Hipótesis catastrófica de Hoyle (1944).
  • Hipótesis de Gerard Kuiper (1944).
  • Hipótesis de la turbulencia de Weizsacker (1945).
  • Hipótesis de Whipple (1948).
  • Hipótesis cosmoquímica de Urey (1952).
  • Hipótesis del protoplaneta de McCrea (1960).
  • Hipótesis de Cameron (1962).
  • Hipótesis de la captura de Woolfson (1964).