Acreción de aerolitos
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La acreción de aerolitos es un fenómeno espacial por el que se produce la agregación de objetos cuyos tamaños varían desde centímetros hasta varios metros de diámetro, formando planetesimales en un disco protoplanetario, efecto que se ve reforzado por la resistencia de frenado que ejercen estas partículas.
El rápido crecimiento de los planetesimales a través de la acreción de materiales permitió la formación de núcleos planetarios gigantes en el sistema solar exterior con anterioridad a la dispersión del disco de gas. Una reducción en el tamaño de los aerolitos al perder hielo de agua después de cruzar la línea de hielo y una densidad decreciente de gas con la distancia al Sol, redujeron la velocidad de acreción de aerolitos en el sistema solar interno, resultando en planetas terrestres más pequeños, una reducida masa de Marte y un cinturón de asteroides también de baja masa.
Los aerolitos con tamaños que varían desde cm hasta un metro de tamaño, se acumulan en un disco protoplanetario. Un disco protoplanetario está formado por una mezcla de gas y sólidos, incluidos polvo, guijarros, planetesimales y protoplanetas.[1] El gas en un disco protoplanetario está soportado por la presión gravitatoria y, como resultado, orbita a una velocidad más lenta que los objetos grandes.[2] El gas a su vez afecta a los movimientos de los sólidos, que varían de acuerdo con su tamaño. El polvo se mueve con el gas y los planetesimales más grandes orbitan sin verse afectados por el gas.[3] Los guijarros son un caso intermedio, regido por las leyes de los fenómenos de arrastre que hacen que tiendan a asentarse hacia el plano central del disco, y que orbiten a una velocidad sub-kepleriana que se traduce en una deriva radial hacia la estrella central alrededor de la que orbitan.[4] Los guijarros frecuentemente se encuentran con los planetesimales, como resultado de sus bajas velocidades y de su deriva hacia adentro. Si sus movimientos no se vieran afectados por el gas, los planetesimales acrecerían una pequeña fracción de guijarros, determinada por sus características gravitatorias y por la sección transversal de los planetesimales. El resto seguiría rutas hiperbólicas, acelerando hacia el plano planetario en su aproximación y decelerando a medida que retrocediesen. Sin embargo, el arrastre de los aerolitos crece a medida que aumentan sus velocidades, disminuyendo lo suficiente como para que se unan gravitacionalmente al planetesimal.[5] Estos guijarros continúan perdiendo energía mientras orbitan alrededor del planetesimal, lo que hace que giren en espiral y se acaben acumulando en el planetesimal.[6][7]
Pequeños planetesimales capturan guijarros que pasan a la deriva a la velocidad relativa del gas. Esos guijarros, con tiempos de detención similares al tiempo de Bondi del planetesimal, se acumulan dentro de su radio de Bondi, que se define como el grado expresado en radianes al que se desvía un objeto que se acerca a un planetesimal a la velocidad relativa del gas. El tiempo de parada es la escala de tiempo exponencial para la desaceleración de un objeto debida al arrastre del gas, y el tiempo de Bondi es el tiempo requerido para que un objeto cruce el radio de Bondi. Dado que el radio de Bondi y el tiempo de Bondi aumentan con el tamaño del planetesimal, y el tiempo de parada aumenta con el tamaño del guijarro, el tamaño óptimo del guijarro aumenta con el tamaño del planetesimal. Los objetos más pequeños, con proporciones entre su tiempo de parada y su tiempo de Bondi menores que 0.1, se extraen del flujo más allá del planetesimal y se agregan a partir de un radio más pequeño que disminuye con la raíz cuadrada de esta relación. Los guijarros más grandes y débilmente acoplados también se acumulan de manera menos eficiente debido a tres efectos gravitatorios con un radio acrecido que disminuye rápidamente entre las proporciones de 10 y 100. El radio de Bondi es proporcional a la masa del planetesimal, por lo que las tasas de crecimiento relativas son proporcionales a su masa al cuadrado, lo que resulta en un crecimiento descontrolado.[8] La deflexión aerodinámica del gas alrededor del planetesimal reduce la eficiencia de la acumulación de guijarros, lo que resulta en una escala de tiempo de crecimiento máximo a unos 100 km.[9]
Los planetesimales más grandes, por encima de una masa de transición aproximadamente como la de Ceres en el sistema solar interior y de Plutón en el sistema solar exterior,[10] acretan guijarros con números de Stoke cerca de uno de sus radios de Hill. El número de Stokes en este contexto es el producto del tiempo de parada y de su frecuencia Kepleriana. Al igual que con los planetesimales pequeños, el radio a partir del cual se agregan los guijarros disminuye para tamaños de guijarros cada vez más pequeños. El tamaño de guijarro óptimo para grandes planetesimales se mide en cm, debido a una combinación del radio de acreción y de la velocidad de deriva radial de los guijarros. A medida que los objetos crecen, su acreción cambia de un carácter tridimensional, con acreción de parte del grosor del disco de guijarros, a bidimensional, con acreción del espesor total del disco de guijarros. La tasa de crecimiento relativa de la acreción bidimensional es proporcional a la masa(2/3), lo que conduce a un crecimiento jerarquizado y a la formación de cuerpos de tamaño similar.[8] La acumulación de guijarros puede producir el doble de la masa de un núcleo concentrado en tan poco tiempo como 5500 años.[10] Las escalas de tiempo para el crecimiento de los núcleos de los planetas gigantes se reducen en 2 o 3 órdenes de magnitud en relación con la acreción planetesimal.[8] La influencia gravitacional de estos cuerpos masivos puede crear una brecha parcial en el disco de gas, alterando el gradiente de presión.[10] La velocidad del gas se convierte en supra kepleriana fuera de la brecha, deteniendo la deriva hacia el interior de guijarros y deteniendo el proceso de acreción.[3]
