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| Nube de Oort. Imagen: Wikimedia Commons. |
México, DF. 20 de octubre de 2015 (Agencia Informativa Conacyt).- Después de 65 años desde su predicción, la teoría de la existencia y morfología esférica de la nube de Oort no ha sufrido muchos cambios, aunque el debate sigue abierto. Ahora, un joven mexicano maestro en astrofísica plantea un nuevo modelo que pretende cambiar el patrón tradicional de esta teoría para después extrapolarlo al estudio de otros sistemas planetarios. La dinámica estelar aplicada al sistema solar, un área de la astrofísica no muy concurrida por el público o los investigadores, es el objeto de estudio de este joven científico.
La nube de Oort, una zona más allá de Plutón, es en donde se encuentran pequeños cuerpos helados que dan origen a los cometas que llegan a cruzar por la Tierra, tardan miles de años en interactuar con el sistema solar pero al pasar cerca de la órbita de los planetas gigantes, estos son atrapados y pueden llegar a cambiar su dirección. "Se cree que mide 100 mil unidades astronómicas, es medio parsec, es muchísimo. La estrella más cercana está a 1.3 parsecs, por lo que ser una enorme esfera tan bonita y moldeada, es un poco imposible", explicó el maestro en Astrofísica por la Universidad Autónoma de Madrid, Santiago Torres Rodríguez.
En 1950, el astrónomo holandés Jan Hendrik Oort, de la Universidad de Leiden, predijo la existencia de esta nube mediante un trabajo en su mayoría teórico y basado en la mínima observación del paso de cometas de la época. Este trabajo se fundamentó en los picos del registro del afelio —es decir la distancia más lejana del cometa al Sol—, de los cometas de periodo largo.
Oort predijo que estos debían su procedencia a un lugar más lejano, propuso que debía ser de una región más lejana al cinturón de Kuiper, una región muy lejana pero que pertenecía a la cercanía del sistema solar. El astrónomo descubrió que dichos cometas que había catalogado provenían de todas direcciones, es decir, eran isotrópicos, por lo que sugería un depósito de forma esférica que cubría todo el sistema solar y que estaba moldeado debido a la marea galáctica, según describió Torres Rodríguez quien desde 2014 realiza una estancia de investigación en el Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y quien está próximo a viajar a Holanda, pues fue seleccionado para cursar su doctorado en la Universidad de Leiden y es acreedor de una beca del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) para estudios en el extranjero, en el mismo lugar en que trabajó Jan Hendrik Oort.
El origen de la nube de Oort
Tiempo después, los científicos comenzaron a investigar mecanismos de formación y modelos simulados por computadoras.
Existen distintas propuestas de la formación de la nube de Oort. Una de ellas dicta que tuvo que ver con la constitución de los planetas gigantes del sistema solar y del disco de escombros que se alojó en la región de Kuiper. En esta región, los planetas gigantes interactuaron con los escombros, "se producía un efecto licuadora, es decir, se tenía un cuerpo muy grande y muchos cometas pequeños o partículas, entonces la interacción hizo que estas salieran disparadas en todos sentidos, se les imprimió tanta energía que todas estas pequeñas rocas salieron volando del sistema solar interno, efecto que pobló la nube de Oort”, comentó el joven científico mexicano.
Algunos cometas se volvieron errantes y se perdieron en el espacio interestelar, el resto interactuó con la marea gravitacional creada por las interacciones de la Vía Láctea y por encuentros con estrellas pasajeras en la vecindad solar, impidiendo así que estos se desligaran del sistema solar.
La hipótesis de los encuentros con estrellas pasajeras y la influencia gravitacional que hacía que estos cometas salieran de su órbita con el Sol se consideró, pues se conoce que el Sol, nuestra estrella más cercana, no se formó sola sino en un cúmulo estelar, de esta forma aunque los cometas tuvieran poca energía inicial, sufrían un efecto de rebote.
"Así comenzó la formación de la nube de Oort, hasta que poco a poco se depuró todo el disco de planetesimales o partículas. Los planetas gigantes fueron los primeros en contribuir en esto porque era el mecanismo de expulsión gracias a las perturbaciones internas que ocasionaban; mientras que la marea galáctica y la perturbación de las estrellas dentro de la vecindad solar, fueron el mecanismo externo que terminaron de moldear la nube. Entonces justo lo que nosotros queremos investigar son las contribuciones externas que ocasionaron la formación de la nube de Oort", añadió Santiago Torres.
Astrofísica planetaria de primer nivel
Algunos cometas se volvieron errantes y se perdieron en el espacio interestelar, el resto interactuó con la marea gravitacional creada por las interacciones de la Vía Láctea y por encuentros con estrellas pasajeras en la vecindad solar, impidiendo así que estos se desligaran del sistema solar.
La hipótesis de los encuentros con estrellas pasajeras y la influencia gravitacional que hacía que estos cometas salieran de su órbita con el Sol se consideró, pues se conoce que el Sol, nuestra estrella más cercana, no se formó sola sino en un cúmulo estelar, de esta forma aunque los cometas tuvieran poca energía inicial, sufrían un efecto de rebote.
"Así comenzó la formación de la nube de Oort, hasta que poco a poco se depuró todo el disco de planetesimales o partículas. Los planetas gigantes fueron los primeros en contribuir en esto porque era el mecanismo de expulsión gracias a las perturbaciones internas que ocasionaban; mientras que la marea galáctica y la perturbación de las estrellas dentro de la vecindad solar, fueron el mecanismo externo que terminaron de moldear la nube. Entonces justo lo que nosotros queremos investigar son las contribuciones externas que ocasionaron la formación de la nube de Oort", añadió Santiago Torres.
Astrofísica planetaria de primer nivel
La investigación del maestro Torres ha estado relacionada con la astrofísica de los encuentros estelares, es decir, con explicar las perturbaciones estelares en los discos protoplanetarios y conocer los efectos en este, por ejemplo, la simulación del comportamiento planetario del sistema solar si una estrella con una masa solar se acercara a 500 unidades astronómicas. Este tipo de investigación es lo que se busca extrapolar a la nube de Oort en la ambiciosa tesis de doctorado de Santiago Torres Rodríguez, titulada Dynamics of the Oort Cloud in the GAIA Era: The Influence of the Non-Axisymmetric Gravitational Potential of the Milky Way.
Anteriormente ya se habían realizado trabajos similares. Aunque se creía que la teoría de la nube de Oort esférica era la estándar, se modelaba y simulaba con efectos añadidos de perturbación estelar y por marea galáctica.
Existe una forma de modelar este componente del sistema solar basándose en la marea galáctica a través de la aplicación de métodos numéricos por medio de un potencial axisimétrico, "se explican de la siguiente manera: en el caso de una galaxia, el potencial axisimétrico es el que está formado por la suma de los potenciales del bulbo, disco y halo de materia oscura, el eje de simetría del potencial axisimétrico de una galaxia es z", afirmó.
Para modelar las perturbaciones en los brazos espirales se ha empleado un modelo llamado coseno, ya que este ha sido una buena simplificación porque el potencial es muy sencillo y fácil de implementar. Desafortunadamente este modelo considera que los brazos espirales son solo una onda de densidad estacionaria, es decir "lo que hace este coseno es simplemente asumir que los brazos espirales tienen perturbaciones muy suaves, es como si yo dijera que el paso del sistema solar a través de los brazos espirales casi no tendrá mucha interacción con la componente estelar galáctica".
Uno de los ejes de la investigación que Santiago Torres llevará a cabo durante su estancia doctoral en Leiden, está dirigido a comprobar mediante métodos y modelos numéricos basados en datos reales que la estructura de la nube de Oort no es esférica, sino que ha sido deformada por múltiples encuentros estelares desde distintos ángulos a lo largo de los millones de años desde la formación de este y moldada por la contribución de los brazos espirales y la barra de la Vía Láctea, "puedes ver que si se tiene una estrella que pasa a una distancia muy cercana con cierta inclinación, provoca una morfología en el sistema de tipo reloj de arena, como un cono. Pero si la estrella pasa diferente, esta estructura se deformará. Si integras cierto número de encuentros estelares y combinas las fuerzas de marea de la galaxia, al final terminas con una estructura rara", explicó.
Para estudiar las contribuciones externas a la nube de Oort provocadas por la marea galáctica que genera la contribución de los brazos espirales y la barra, se utilizará un modelo no axisimétrico implementado por la investigadora Bárbara Pichardo Silva del Instituto de Astronomía, experta en dinámica galáctica.
"La idea es tener un modelo que se aproximará más a los brazos espirales que se observan en las galaxias partiendo de la idea de que los brazos espirales no son una simple perturbación, sino una distribución de masa la cual afecta de manera importante la dinámica del disco de la galaxia. El código computacional Perlas/BraBa desarrollado por la doctora Bárbara Pichardo, asume que los brazos tienen masa y son autogravitantes, esto quiere decir que cualquier punto del brazo siente el efecto de todo el brazo espiral, a diferencia del coseno, en donde es un brazo local y no se siente el efecto gravitacional de todo el brazo en cada posición. El potencial de coseno es una solución matemática en donde se asume que los brazos espirales son una perturbación lineal, lo que quiere decir que los brazos espirales son débiles, pero si vemos imágenes de galaxias espirales podremos notar que los brazos son prominentes y en la mayoría de los casos no parecen débiles. El modelo de Perlas/BraBa está formado por la superposición de esferoides oblatos inhomogéneos, acomodados uno tras otro formando al brazo espiral. Perlas/BraBa es un mejor modelo comparado con el coseno, porque este modelo está basado en una distribución de masa y no es una solución matemática que considera los brazos como una perturbación", comentó.
Desarrollo numérico, verídico y contribuciones científicas
Este proyecto, Dynamics of the Oort Cloud in the GAIA Era: The Influence of the Non-Axisymmetric Gravitational Potential of the Milky Way, está dividido en tres partes.
La primera parte de la investigación y tesis de doctorado es usar el potencial no axisimétrico para investigar lo que sucede con las órbitas de los cometas que componen la nube de Oort, todo esto de forma teórica y computacional. "Creé una nube de Oort artificial. Es una nube esférica porque casi todos piensan que es así, aunque lo que esperamos es descubrir que no lo es. Para esa parte, Bárbara me proporcionó e implementó el código de Perlas/BraBa para estudiar estas perturbaciones", enunció.
Anteriormente ya se habían realizado trabajos similares. Aunque se creía que la teoría de la nube de Oort esférica era la estándar, se modelaba y simulaba con efectos añadidos de perturbación estelar y por marea galáctica.
Existe una forma de modelar este componente del sistema solar basándose en la marea galáctica a través de la aplicación de métodos numéricos por medio de un potencial axisimétrico, "se explican de la siguiente manera: en el caso de una galaxia, el potencial axisimétrico es el que está formado por la suma de los potenciales del bulbo, disco y halo de materia oscura, el eje de simetría del potencial axisimétrico de una galaxia es z", afirmó.
Para modelar las perturbaciones en los brazos espirales se ha empleado un modelo llamado coseno, ya que este ha sido una buena simplificación porque el potencial es muy sencillo y fácil de implementar. Desafortunadamente este modelo considera que los brazos espirales son solo una onda de densidad estacionaria, es decir "lo que hace este coseno es simplemente asumir que los brazos espirales tienen perturbaciones muy suaves, es como si yo dijera que el paso del sistema solar a través de los brazos espirales casi no tendrá mucha interacción con la componente estelar galáctica".
Uno de los ejes de la investigación que Santiago Torres llevará a cabo durante su estancia doctoral en Leiden, está dirigido a comprobar mediante métodos y modelos numéricos basados en datos reales que la estructura de la nube de Oort no es esférica, sino que ha sido deformada por múltiples encuentros estelares desde distintos ángulos a lo largo de los millones de años desde la formación de este y moldada por la contribución de los brazos espirales y la barra de la Vía Láctea, "puedes ver que si se tiene una estrella que pasa a una distancia muy cercana con cierta inclinación, provoca una morfología en el sistema de tipo reloj de arena, como un cono. Pero si la estrella pasa diferente, esta estructura se deformará. Si integras cierto número de encuentros estelares y combinas las fuerzas de marea de la galaxia, al final terminas con una estructura rara", explicó.
Para estudiar las contribuciones externas a la nube de Oort provocadas por la marea galáctica que genera la contribución de los brazos espirales y la barra, se utilizará un modelo no axisimétrico implementado por la investigadora Bárbara Pichardo Silva del Instituto de Astronomía, experta en dinámica galáctica.
"La idea es tener un modelo que se aproximará más a los brazos espirales que se observan en las galaxias partiendo de la idea de que los brazos espirales no son una simple perturbación, sino una distribución de masa la cual afecta de manera importante la dinámica del disco de la galaxia. El código computacional Perlas/BraBa desarrollado por la doctora Bárbara Pichardo, asume que los brazos tienen masa y son autogravitantes, esto quiere decir que cualquier punto del brazo siente el efecto de todo el brazo espiral, a diferencia del coseno, en donde es un brazo local y no se siente el efecto gravitacional de todo el brazo en cada posición. El potencial de coseno es una solución matemática en donde se asume que los brazos espirales son una perturbación lineal, lo que quiere decir que los brazos espirales son débiles, pero si vemos imágenes de galaxias espirales podremos notar que los brazos son prominentes y en la mayoría de los casos no parecen débiles. El modelo de Perlas/BraBa está formado por la superposición de esferoides oblatos inhomogéneos, acomodados uno tras otro formando al brazo espiral. Perlas/BraBa es un mejor modelo comparado con el coseno, porque este modelo está basado en una distribución de masa y no es una solución matemática que considera los brazos como una perturbación", comentó.
Desarrollo numérico, verídico y contribuciones científicas
Este proyecto, Dynamics of the Oort Cloud in the GAIA Era: The Influence of the Non-Axisymmetric Gravitational Potential of the Milky Way, está dividido en tres partes.
La primera parte de la investigación y tesis de doctorado es usar el potencial no axisimétrico para investigar lo que sucede con las órbitas de los cometas que componen la nube de Oort, todo esto de forma teórica y computacional. "Creé una nube de Oort artificial. Es una nube esférica porque casi todos piensan que es así, aunque lo que esperamos es descubrir que no lo es. Para esa parte, Bárbara me proporcionó e implementó el código de Perlas/BraBa para estudiar estas perturbaciones", enunció.
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| Parámetros orbitales de un disco protoplanetario después de la interacción de una estrella central enana roja (0.5Msol) y una estrella pasajera de 2Msol en un cúmulo abierto. |
Posteriormente, Santiago será acreedor a los datos que otorgue la sonda espacial Gaia perteneciente a la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés), pues estará bajo la tutoría en Leiden del director del consorcio de procesamiento y análisis de datos de Gaia, el doctor Anthony Brown.
Los datos de Gaia serán dados a conocer cada dos años al público. Después de que sean analizados por el consorcio oficial, se publicará un primer paquete en verano de 2016 y posteriormente otras cuatro liberaciones de datos que concluirán en 2022.
Pero en este caso, al trabajar con Anthony Brown se realizará la parte numérica observando la perturbación con el potencial no axisimétrico y se continuará con las perturbaciones pero aplicando datos reales del censo de la astrometría —posición, velocidad, etcétera— de cien mil millones de estrellas que la sonda habrá dado como resultado y que serán aplicados al código para estudiar las órbitas simuladas e integradas al pasado y al futuro, de manera que se podrá conocer cómo y cuántas estrellas perturbaron la nube de Oort y la manera en que están relacionadas con su formación.
La investigación podrá otorgar predicciones importantes sobre la perturbación estelar a nuestro sistema solar y su implicación a la tasa de caída de comentas al sistema solar interno, así como su posible relación con impactos sobre la Luna y la Tierra. Los datos de Gaia ayudarán a relacionar lo que pasó antes del sistema solar, lo que sucede ahora y lo que ocurrirá en el futuro.
Por último, Santiago Torres busca participar en el apoyo a la comunidad científica al trabajar con otro de sus asesores en Leiden, el doctor Simon Portegies Zwart, investigador holandés, famoso por crear numerosas teorías sobre cúmulos y demás temas astrofísicos en un proyecto llamado Astrophysical Multipurpose Software Environment(Amuse). Este proyecto busca integrar los códigos más sofisticados del mundo para facilitar la investigación de los científicos, principalmente en astronomía.
La idea es que estudiantes e investigadores de todo el mundo que quieran trabajar en temas de astrofísica ya antes explorados, pero desde un enfoque distinto, puedan acceder a un espacio lleno de códigos complejos creados para ello y que se pueden obtener de manera gratuita una vez que se ha llegado a un acuerdo con el investigador que los elaboró.
Torres participará en este proyecto mediante la integración del código de Perlas/BraBa, efectuando con esto una gran contribución mexicana a la comunidad astronómica internacional al proporcionar este sofisticado modelo mexicano de la galaxia.
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