Pegarse o rebotar: el tamaño determina la pegajosidad de los agregados de polvo cósmico

Los agregados de polvo de micropartículas, que se cree que desempeñan un papel en la formación de nuevos planetas, tienen menos probabilidades de adherirse después de una colisión cuando los agregados son más grandes.

La evidencia actual sugiere que las micropartículas de polvo cósmico chocan y se unen para formar agregados de polvo más grandes que eventualmente pueden combinarse y convertirse en planetas. Por lo tanto, los modelos numéricos que caracterizan con precisión las condiciones requeridas para que los agregados de micropartículas en colisión se mantengan unidos, en lugar de rebotar, son fundamentales para comprender la evolución de los planetas. Los modelos recientes sugieren que es menos probable que los agregados de polvo se peguen después de una colisión a medida que aumenta el tamaño de los agregados.

Un equipo de astrofísicos realizó simulaciones numéricas de colisiones de agregados de polvo, con agregados de igual masa que varían en tamaño entre 10 000 y 140 000 micrones, utilizando métodos de elementos discretos de esfera blanda. El sistema de modelado discreto representó cada partícula dentro del agregado en lugar de tratar el agregado como una sola entidad, y la simulación de esfera blanda asumió la rigidez de cada partícula del agregado pero permitió las deformaciones que pueden ocurrir durante la colisión.

Su modelado indicó que aumentar el radio de los agregados de polvo de micropartículas disminuyó la probabilidad de adherencia, o la probabilidad de que dos agregados se peguen y formen un agregado más grande después de la colisión. El equipo publicó los resultados de su estudio en el Cartas de revistas astrofísicas.

«El proceso de formación de cuerpos del tamaño de un kilómetro, planetesimales, a partir del polvo cósmico, que es la etapa inicial de la formación de planetas, ha sido uno de los mayores problemas en la teoría de la formación de planetas», dijo Hidekazu Tanaka, uno de los autores del estudio y profesor del Instituto Astronómico de la Escuela de Graduados en Ciencias de la Universidad de Tohoku en Sendai, Japón.

«El presente estudio mostró que los cúmulos de polvo que son el material de los planetas dejan de crecer cuando alcanzan cierto tamaño, ya que los cúmulos grandes son difíciles de adherirse entre sí. Nuestros resultados dificultaron aún más el problema de la formación de planetesimales. El crecimiento adhesivo de los cúmulos de polvo es un proceso clave en el proceso de formación de planetas».

Las simulaciones sugieren que el rebote de colisión entre grandes agregados de micropartículas disminuiría la formación de planetesimales, o los componentes básicos de los planetas. Los planetesimales de escala kilométrica forman planetas a través de la fusión por colisión a través de la gravedad mutua.

Las simulaciones de modelos anteriores y los experimentos de laboratorio que caracterizaban el umbral para la barrera de adherencia/rebote de las colisiones de agregados de polvo a menudo producían resultados contradictorios, que el equipo de investigación y otros supusieron que se debía a los diferentes tamaños de agregados. Los resultados del estudio actual apoyan esta hipótesis.

Actualmente no está claro por qué el tamaño de los agregados afecta la probabilidad de adherencia durante una colisión. Los estudios futuros destinados a diseccionar la estructura de empaquetamiento de los agregados a lo largo del tiempo pueden ayudar a los científicos a comprender cómo los agregados pueden acercarse a la escala de los planetesimales. Los estudios de los sitios de contacto entre los agregados, donde se disipa la mayor parte de la energía, después de una colisión también pueden revelar cómo los agregados más grandes eventualmente se unen.

Además, las simulaciones realizadas por el equipo de investigación sugieren que la probabilidad de adherencia de los agregados de partículas también puede verse afectada por el tamaño de las partículas individuales que forman el agregado y no solo por el radio de todo el agregado.

El equipo reconoce que las simulaciones que han realizado en este estudio están lejos de ser exhaustivas. Se realizarán simulaciones que incluyen agregados que se pueden preparar mediante procedimientos realistas y que abordan la aceleración, y también se planean experimentos de laboratorio que afinarán el modelo.

Más allá de estas simulaciones, el equipo tiene la vista puesta en agregados más grandes, que pueden cambiar fundamentalmente las teorías actuales sobre el desarrollo del planeta. «Usaremos una supercomputadora para realizar simulaciones numéricas a gran escala de colisiones entre grupos de polvo aún más grandes para investigar qué tan difícil es que los grupos de polvo grandes se adhieran entre sí. Esto ayudará a resolver la cuestión de si la formación de planetesimales es posible a través de la adhesión de grupos de polvo o no», dijo Tanaka.