Simulan gravedad y magnetismo en disco protoplanetario

T.E.L: 3 min.

Se habría detectado un mecanismo de fricción para explicar el "problema de pérdida de momento angular" en discos de formación planetaria.

La Tierra y demás objetos del Sistema Solar se formaron a partir de un disco de gas y polvo alrededor del Sol. Para investigar este proceso, los astrofísicos usan simulaciones computacionales para entender el crecimiento en masa, así como el desarrollo del campo magnético de un planeta. Sin embargo, gravedad y campos magnéticos se suelen modelar por separado. Ahora, Lucio Mayer, de la Universidad de Zurich y otros, combinaron ambos procesos en una simulación. Los resultados se publicaron en The Astrophysical Journal.

Dos modelos en uno
Los astrofísicos saben que la inestabilidad gravitacional en un disco masivo de materia en rotación, juega un rol clave en la formación de planetas. Causa que las partículas se junten, lo que permite la formación de estructuras de alta densidad como los brazos espirales. Los efectos del campo magnético durante la inestabilidad gravitacional no se han tenido muy en cuenta, hasta ahora.

Con la ayuda de Piz Daint, la supercomputadora en el centro CSCS, estos científicos simularon un disco protoplanetario bajo la influencia de la gravedad en presencia de un campo magnético. Esto los llevó a descubrir un nuevo mecanismo que podría explicar observaciones previas.
Por ejemplo, los planetas en nuestro Sistema Solar rotan más lentamente que el disco protoplanetario del que emergieron. Durante la formación de planetas, así como de estrellas, enormes cantidades de momento angular se pierden, pero cómo ocurre no está claro. Se trata del problema del momento angular. "Nuestro nuevo mecanismo parece capaz de resolver y explicar este problema general", indicó Mayer.

Para combinar ambos procesos en una simulación, los investigadores usaron un método híbrido para calcular el campo magnético, gravedad y dinámica de fluidos. En este método, la masa y la gravedad ejercida son calculados usando partículas, cada una representando una pieza del sistema.
El modelo muestra que los brazos espirales formados por gravedad en el disco protoplanetario actúa como una dínamo, extendiendo y fortaleciendo al campo magnético. Esta dínamo genera un empuje hacia adentro y hacia afuera.

"La simulación muestra que la energía generada pro la interacción del campo magnético con gravedad actúa hacia afuera y genera un viento que expulsa materia del disco", comentó Mayer.

Esto causaría la pérdida de 90% de la masa en menos de un millón de años.
"Si esto es cierto, sería una predicción deseable, porque muchos discos protoplanetarios que tienen un millón de años de edad poseen 90% menos masa que lo predicho por las simulaciones de formación de discos, hasta ahora", explicó el astrofísico.

Finalmente, la pérdida de energía lleva a que la materia colapse y pierda rotación. Los investigadores ahora esperan ser capaces de observar esos vientos y la expulsión de materia en fases tempranas de un disco protoplanetario, con telescopios poderosos como los de ALMA o el SKA en construcción.

Los investigadores creen haber descubierto un nuevo mecanismo de fricción generado por la interacción del campo magnético y la inestabilidad gravitacional que erosiona significativamente el momento angular del disco.

"Gracias al poderoso motor de los brazos espirales, nuestro nuevo mecanismo de fricción parece más eficiente en regiones densas de discos protoplanetarios en los que hay menos partículas cargadas para sostener el campo magnético", añadió Hongping Deng, co-autor del trabajo.

La onda de densidad espiral en un disco protoplanetario con 0.13 masas solares alrededor de una estrella como nuestro sol. Las ondas espirales se extienden desde 5 a 25 UA. La onda de densidad espiral amplifica los campos magnéticos (panel derecho) en su vecindario. Imagen: Hongping Deng.

Piz Daint
Piz Daint es una supercomputadora que fue nombrada igual que una gran montaña de los Alpes Suizos. Ocupó el puesto 8 del ranking TOP500 de supercomputadoras hasta finales de 2015. En 2016, con una actualización logró alcanzar 25 petaflops y escaló al puesto 3. Desde 2018 figura 6º en el prestigioso ranking.