¿Explicación intuitiva de la fuente de energía que hace que Júpiter y Saturno migren hacia afuera en la hipótesis de Grand Tack?

Primero tratemos de entender por qué los planetas migran hacia adentro . Los planetas se forman en un disco protoplanetario; un enorme disco de gas y polvo que se acumula en una estrella recién formada en el centro. Las interacciones gravitacionales entre los planetas y el gas en el disco juegan un papel muy importante en la formación y evolución planetaria.

A medida que los planetas orbitan dentro del disco, generan "ondas de densidad en espiral". Estos son simplemente cambios en la densidad del gas en la región local del planeta, que se mueve a una velocidad diferente en comparación con el resto del material en el disco. La consecuencia es que la onda exterior al planeta ejerce un par negativo y actúa para frenar el planeta. El interior de la onda al planeta ejerce un par positivo y lo acelera. El efecto neto es que gana el par negativo, lo que hace que el planeta pierda momento angular y migre hacia la estrella. En las escalas de tiempo de la formación planetaria, este es un proceso relativamente rápido y, por lo general, afecta a los planetas de menor masa.

Cuando tienes un planeta tan grande como Júpiter, sucede algo más. Los pares que el planeta ejerce sobre el disco son tan fuertes que repelen el gas fuera de su región orbital por completo, abriendo una "brecha" en el disco. El planeta ahora migra hacia adentro siguiendo la evolución natural del disco, es decir. la escala de tiempo en que el gas migra naturalmente y se acumula en la estrella. El planeta y la brecha migran hacia adentro juntos como uno solo. Este es un proceso mucho más lento que el descrito para planetas más pequeños, por lo que Saturno pudo alcanzar a Júpiter.

Entonces, ¿por qué Júpiter emigró hacia el exterior?

Cuando Júpiter y Saturno quedaron bloqueados en una resonancia orbital, formaron un espacio común en el disco. Saturno esencialmente despejó la región exterior a Júpiter, reduciendo el par ejercido sobre Júpiter por la parte exterior del disco. Pero el gas repelido por Júpiter en la región interior se acumuló en el borde interior del disco, aumentando en densidad y aumentando sus propios pares en Júpiter. El efecto neto ahora es que los pares positivos del disco interno superan los pares negativos del disco externo y los planetas migran hacia el exterior.

Para que esto funcione, necesita un escenario bastante específico. El modelado sugiere que la migración hacia el exterior solo puede ocurrir cuando el planeta interior es de 2 a 4 veces más grande que el planeta exterior. Para leer más, recomiendo encarecidamente esta revisión reciente de Raymond & Morbidelli (2020) , que brinda una excelente descripción de nuestros mejores modelos actuales de la formación del Sistema Solar.

En resumen: en el momento en que ocurrió toda esa migración, todavía había un gran disco de gas alrededor del Sol. La energía que Júpiter y Saturno perdieron al migrar hacia el interior o ganaron al migrar hacia el exterior, se intercambió con el disco. Cuando Júpiter y Saturno migraron hacia el interior, algo de gas en el disco obtuvo la energía que perdieron y migró hacia el exterior. Cuando ambos planetas migraron hacia afuera, la energía provino de algún gas que perdió energía y migró hacia adentro.

Es decir, la fuente de energía (y el sumidero de energía) era el disco de gas.