Astrónomos explican por qué algunos objetos en el espacio parecen muñecos de nieve

Los astrónomos han debatido durante mucho tiempo por qué tantos objetos helados en el sistema solar exterior parecen muñecos de nieve y, ahora, investigadores de la Universidad Estatal de Michigan (MSU) de Estados Unidos parecen tener evidencia del proceso sorprendentemente simple que podría ser responsable de su creación. Su trabajo se publica en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

Un enigma en los confines del sistema solar

Mucho más allá del violento y caótico cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter se encuentra el Cinturón de Kuiper. Allí, más allá de Neptuno, se encuentran bloques de construcción helados e intactos de los albores del sistema solar, conocidos como planetesimales. Aproximadamente uno de cada diez de estos objetos son sistemas binarios de contacto, planetesimales con forma de dos esferas conectadas, como Frosty, el muñeco de nieve. Pero cómo se formaron estos objetos era una incógnita.

En concreto, Jackson Barnes, estudiante de posgrado de la MSU, ha creado la primera simulación que reproduce la forma bilobulada de manera natural mediante colapso gravitacional. Los modelos computacionales anteriores trataban los objetos en colisión como masas fluidas que se fusionaban en esferas, lo que imposibilitaba la formación de estas estructuras únicas.

Gracias al Instituto de Investigación Cibernética (ICER) de la MSU y a su clúster de computación de alto rendimiento, las simulaciones de Barnes producen un entorno más realista que permite que los objetos conserven su resistencia y se apoyen entre sí.

Otras teorías de formación involucran eventos especiales o fenómenos exóticos que, si bien son posibles, no es probable que ocurran de manera regular.

“Si consideramos que el 10% de los planetesimales son sistemas binarios de contacto, el proceso que los forma no puede ser excepcional”, expone Seth Jacobson, profesor de Ciencias de la Tierra y Ambientales, autor principal del artículo. “El colapso gravitacional concuerda perfectamente con lo que hemos observado”, añade. 

El papel clave de New Horizons

Las binarias de contacto fueron fotografiadas de cerca por primera vez por la sonda New Horizons de la NASA en enero de 2019. Estas imágenes impulsaron a los científicos a observar de nuevo otros objetos en el cinturón de Kuiper, y se descubrió que las binarias de contacto representaban aproximadamente el 10% de todos los planetesimales. Estos objetos distantes flotan prácticamente sin perturbaciones y a salvo de colisiones en el escasamente poblado Cinturón de Kuiper.

En los inicios de la Vía Láctea, la galaxia era un disco de polvo y gas. Restos de su formación se encuentran en el Cinturón de Kuiper, incluyendo planetas enanos como Plutón, cometas y planetesimales. Los planetesimales son los primeros objetos planetarios de gran tamaño que se forman a partir de un disco de polvo y guijarros. Al igual que los copos de nieve individuales que se compactan formando una bola de nieve, estos primeros cuerpos son agregados de objetos del tamaño de guijarros, atraídos por la gravedad desde una nube de materiales diminutos.

Ocasionalmente, al girar la nube, se desploma sobre sí misma, desgarrando el objeto y formando dos planetesimales separados que orbitan entre sí. Los astrónomos observan numerosos planetesimales binarios en el cinturón de Kuiper. En la simulación de Barnes, las órbitas de estos objetos se mueven en espiral hacia adentro hasta que ambos entran en contacto suavemente y se fusionan, manteniendo aún sus formas redondas.

La pregunta, entonces, es cómo se mantienen unidos estos dos objetos a lo largo de la historia del sistema solar. Barnes explica que es simplemente improbable que colisionen con otro objeto. Sin una colisión, no hay nada que los separe. La mayoría de los sistemas binarios ni siquiera están salpicados de cráteres. 

Evidencia sólida para una hipótesis histórica

Los científicos sospecharon durante mucho tiempo que el colapso gravitacional era responsable de la formación de estos objetos, pero no pudieron comprobar la idea por completo. El modelo de Barnes es el primero en incluir la física necesaria para reproducir las binarias de contacto. “Podemos probar esta hipótesis por primera vez de forma legítima”, plantea Barnes. “Eso es lo emocionante de este artículo”.

Barnes espera que su modelo ayude a los científicos a comprender los sistemas binarios de tres o más objetos. El equipo también trabaja en la creación de una nueva simulación que modele mejor el proceso de colapso. A medida que más misiones de la NASA exploran reinos inexplorados del sistema solar, los autores sospechan que Frosty puede tener primos más lejanos que aún están por descubrir. 

Arrokoth, el ejemplo más cercano

La primera binaria de contacto estudiada de cerca fue 2014 MU69, oficialmente llamado Arrokoth, sobrevolado por la sonda New Horizons el 1 de enero de 2019 a una distancia de unos 6 mil 600 kilómetros.

El objeto mide aproximadamente 36 kilómetros de largo y está compuesto por dos lóbulos de cerca de 21 y 15 kilómetros de diámetro, unidos por una “costura” brillante. Los análisis de la NASA estiman una densidad baja, cercana a 0.5 g/cm³, consistente con una estructura porosa formada hace unos 4 mil 500 millones de años, durante las primeras etapas del sistema solar.

El Cinturón de Kuiper se extiende aproximadamente entre 30 y 50 unidades astronómicas (UA) del Sol (1 UA equivale a 150 millones de kilómetros). Observaciones telescópicas indican que entre 10% y 30% de los objetos transneptunianos podrían formar sistemas binarios, lo que respalda la hipótesis de que el colapso gravitacional de nubes de guijarros —un mecanismo conocido como inestabilidad de flujo— fue un proceso común en esa región primitiva.

Estudios publicados en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society y en otras revistas especializadas han señalado que la baja velocidad relativa de los fragmentos en el disco protoplanetario exterior favorecía uniones suaves, en contraste con las colisiones de alta energía que predominaban en la región interna del sistema solar.

Esta diferencia dinámica ayuda a explicar por qué los objetos del Cinturón de Kuiper conservan formas bilobuladas y muestran escasa evidencia de impactos significativos en comparación con los asteroides del cinturón principal.

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