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Marzo: Planetología

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Planetología: Nuestro Sistema Solar y más allá


Introducción


En el cielo nocturno, en una noche despejada y alejada de fuentes de contaminación lumínica es fácil distinguir centenares de estrellas ordenadas entre sí en patrones fijos a los que los seres humanos hemos llamado constelaciones. Entre las numerosas luces celestes destacan algunas generalmente brillantes que parecen moverse noche tras noche sin adscribirse a ninguna constelación fija variando en posición y brillo, apareciendo y reapareciendo a lo largo del año. Hoy en día sabemos que estas luces son cuerpos grandes distintos de las estrellas, que reflejan la luz del Sol y que giran alrededor de este, atraídos por su gravedad. Les llamamos planetas y la Tierra es uno más entre ellos. Enviamos sondas espaciales a explorarlos y soñamos con enviar hombres sobre la superficie del más cercano: Marte. También sabemos que los planetas son comunes en el Universo. Hemos visto cuerpos semejantes alrededor de otras estrellas. Comenzamos a saber cómo son esos cuerpos distantes. No siempre fue así.



Un poco de historia


Los griegos denominaron a estos astros planeta (estrella errante) y por su característica única de movimiento propio y regular frente al fondo de estrellas se les atribuyó un papel mágico, garantes del orden cósmico. Precisamente de los más poderosos de los dioses romanos recibieron los planetas los nombres que utilizamos en la cultura occidental: Mercurio, siempre cerca del Sol, de movimiento raudo en la bóveda celeste como el mensajero de los dioses al que representa; Venus, el lucero del alba y el atardecer, más hermoso que ningún otro entre los planetas o estrellas del firmamento nocturno; Marte, claramente rojizo para el ojo entrenado, asociado a la guerra; Júpiter, brillante y magnificente, y Saturno, el de movimiento más lento y pausado.

Aunque somos herederos culturales de esta tradición, todas las civilizaciones humanas han dotado de un papel especial a los planetas en sus variadas concepciones del mundo. Para la mayor parte de las antiguas civilizaciones la Tierra era un cuerpo de diferente naturaleza: en la tradición cristiana era la morada imperfecta de los hombres en contraposición al cielo, la morada de Dios. A pesar de ello, la Tierra fue considerada el centro del Universo alrededor de la cual giraban la Luna, el Sol, los planetas y finalmente las estrellas inmutables. Este modelo del Cosmos (denominado Geocéntrico) fue adoptado por el filósofo Aristóteles (hacia 330 a. C.) y heredado en Occidente con variaciones introducidas por la religión. La formulación matemática procedía de otro griego Ptolomeo de Alejandría I (hacia 150 d.C.) pero el modelo de Ptolomeo no era adecuado para predecir el movimiento de los planetas con la necesaria precisión. En 1543 se publicó póstumamente un libro de un clérigo polaco llamado Nicolás Copérnico: “De Revolutionibus Orbium Coelestium”. En él se proponía un Cosmos en el que el centro de los movimientos planetarios pasa a ser el Sol, con la Tierra girando en torno a él, uno más entre los planetas y la Luna girando en torno a la Tierra. Este es el modelo Heliocéntrico. El libro se difundió rápidamente gracias a la imprenta y comenzó a resquebrajarse el entramado de prejuicios e ideas inamovibles sobre el Cosmos y el hombre, constituyendo uno de los pilares de  la revolución científica de los siglos XVI y XVII. Precisamente en este año internacional de la astronomía se festeja la publicación hace 400 años de dos libros en 1609 que demostraron sin lugar a dudas la veracidad del modelo Heliocéntrico, asentando los pilares del pensamiento moderno en el naciente método científico. Estas dos obras eran Astronomia Nova, de Johannes Kepler en la que se explican las leyes del movimiento de los planetas basadas en la rigurosa y metódica observación de su movimiento y Sidereus Nuncius, de Galileo Galilei en el que se publican los primeros resultados de la observación del cielo con el telescopio. Galileo transformó la visión del Universo que tenía el hombre del Renacimiento. Descubrió lunas acompañando a Júpiter, imperfecciones en el Sol a las que llamamos manchas solares, cráteres en la Luna rompiendo la perfección de los cielos.

 

Galileo Galilei, Johannes Keppler y el modelo Heliocéntrico de Universo propuesto por Nicholás Copérnico y demostrado esencialmente por las observaciones y matemáticas de ambos.


El telescopio revolucionó todas las ramas de la astronomía. En 1781 William Herschell un músico alemán en la corte del rey inglés Jorge III descubrió el planeta Urano pasando de ser un astrónomo aficionado al astrónomo más famoso de su época. La física y las matemáticas también se hicieron su hueco. A mediados del siglo XIX era claro que el planeta descubierto por Herschell tenía un movimiento anómalo. Dos matemáticos sin contacto entre sí, Adams, británico, y Le Verrier francés, dedujeron que un planeta más lejano no observado debía modificar el movimiento de Urano prediciendo la posición en que debía encontrarse el planeta inobservado. La predicción de Le Verrier era tan precisa, y tan convincentes sus argumentos, que consiguió convencer a un astrónomo francés, Galle, para buscar ese octavo planeta. Al poco tiempo de apuntar su telescopio, Galle observó efectivamente Neptuno muy cerca de la posición calculada por Le Verrier. Era la primera vez en la Historia que se descubría un objeto celeste por medio del cálculo teórico aplicado a observaciones del cielo. También durante el siglo XIX se descubrieron otros cuerpos mucho más pequeños que ningún planeta y numerosos entre las órbitas de Marte y Júpiter, al principio fueron considerados planetas pero su creciente e incómodo número transformó su nomenclatura en asteroides.

 En 1930, un astrónomo norteamericano, Clyde W. Tombaugh descubrió un cuerpo más lejano que Neptuno y que ahora sabemos es algo más pequeño que la Luna. Fue considerado el planeta más alejado del sistema solar recibiendo el nombre de  Plutón y durante 76 años mantuvo esta categoría. Ahora bien, desde 1992 se han ido descubriendo un número creciente de objetos similares en tamaño a Plutón o más pequeños y con órbitas más alejadas que la de Neptuno, entre ellos Eris, de mayor tamaño. Esto llevó a que tal y como había ocurrido con los asteroides un siglo antes, estos cuerpos fueran relegados de la categoría de planetas siendo ahora considerados como planetas enanos, así como Ceres, el mayor de los asteroides clásicos.
 


El presente



La auténtica revolución en nuestro conocimiento sobre los cuerpos que componen el sistema solar ha venido de la mano del desarrollo de nuevas tecnologías de observación: el continuo incremento en el diámetro de los telescopios, la utilización de una tecnología cada vez más sofisticada y sobre todo el envío de sondas espaciales a otros planetas. En algunos casos sólo para sobrevolarlos, en otros para situar en órbita un vehículo que los explore continuadamente o incluso para posarse sobre ellos. Las superficies de Venus, Marte, y Titán, (la mayor de las lunas de Saturno a 1500 millones de kilómetros de la Tierra), han sido visitadas por sondas robóticas; Marte en numerosas ocasiones. También Júpiter ha sido visitado por una sonda que se introdujo en su atmósfera hasta ser aplastada por la enorme presión y temperatura de capas atmosféricas invisibles desde la Tierra. La Luna ha sido visitada por 12 astronautas que trajeron de vuelta más de 380 kg de rocas lunares que nos han contado como era el sistema solar en su infancia y cómo se originó la Luna. Otras sondas han visitado cometas y asteroides. Además vigilamos el Sol de manera permanente desde observatorios espaciales y 4 de las antiguas sondas lanzadas en los años 70 se hallan en la frontera exterior del sistema solar.

 

Figura 2: Izquierda: Planetas del Sistema Solar a escala de tamaños. Derecha: Órbitas de los planetas a escala. Se aprecia claramente la distinción entre el Sistema Solar interior (Mercurio, Venus, la Tierra y Marte) y el Sistema Solar exterior con Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Adicionalmente los cuerpos mayores de entre los asteroides y la población de objetos transneptunianos que ha sido descubierta a partir de los años 90 reciben el nombre de planetas enanos y son Ceres (entre la órbita de Marte y Júpiter), Plutón, Haumea, Makemake y Eris (todos ellos en órbitas superiores a la de Neptuno).



Con todo esto hemos aprendido mucho sobre la diminuta parcela de la Galaxia que constituye el Sistema Solar pero quedan importantes preguntas que resolver, algunas de ellas de importancia insoslayable.

 


Características del Sistema Solar


Como hemos visto antes nuestro sistema solar está formado por una gran variedad de cuerpos que orbitan alrededor del Sol. Tenemos los planetas interiores: Mercurio, Venus, la Tierra y Marte, todos ellos planetas con una superficie sólida, formados principalmente por materiales rocosos y con una estructura interna semejante a la terrestre. Mercurio, como la Luna, es demasiado pequeño para retener una atmósfera y su superficie muestra las cicatrices de la formación planetaria: un panorama inacabable de cráteres de impacto que no han sido borrados por la erosión de la atmósfera. Por el contrario, Venus y Marte, mayores en tamaño, poseen al igual que la Tierra atmósferas, siendo la de Venus mucho más densa y cálida que la terrestre y la de Marte más fina y fría. Estas atmósferas constituyen casos extremos del camino que podría haber seguido la atmósfera terrestre en su evolución si nuestro planeta hubiera estado un poco más cerca o un poco más lejos del Sol. En ambos casos se forman nubes, en Marte borrascas y anticiclones, nubes y casquetes de hielo polares; en Venus vientos poderosos dominan una atmósfera cuya característica más notable es el efecto invernadero desbocado de este mundo y que llega a originar temperaturas en la superficie de 460º C, capaces de fundir el plomo.

Más allá de la órbita de Marte encontramos dos planetas que son gigantes comparados con los anteriores: Júpiter y Saturno, ambos son mundos gaseosos, gigantescas masas de gas hidrógeno y helio con tamaños 10 veces el terrestre y de composición química similar al Sol. Ambos planetas  son demasiado pequeños para convertirse en estrellas pero sus masas son intermedias entre las estrellas más pequeñas y nuestro propio planeta. Ni Júpiter ni Saturno tienen una superficie sólida, en su lugar sus extensas atmósferas se vuelven progresivamente más cálidas y densas hacia su interior. En sus capas externas, que pueden ser observadas con telescopio, o visitadas por sondas espaciales, las temperaturas son frías y aparecen nubes de amoníaco que muestran una meteorología única dominada por fenómenos extremos tales como vientos huracanados, violentas tormentas y ciclones y anticiclones estables tan grandes como nuestro planeta y que pueden permanecer estables durante décadas o siglos y cuyo comportamiento no llegamos a comprender. Con masas de 310 y 90 veces la masa terrestre son, tras el Sol, los cuerpos principales del Sistema Solar. Júpiter orbita el Sol a una distancia de la de unos 750 millones de km, Saturno a una distancia doble. Sus órbitas son 5 y 10 veces más amplias que la órbita terrestre. Aún más lejos,  encontramos a Urano y Neptuno,  dos planetas también gigantes, unas tres veces mayores que la Tierra, masas unas 15 veces superiores y con atmósferas extensas de hidrógeno y helio que recubren un núcleo formados por material helado aplastado por la inmensa presión atmosférica.
 

Figura 3: Júpiter (izquierda) y Saturno (derecha), los mayores planetas del Sistema Solar: Júpitert, orbita a 750 millones de kilómetros del Sol, es 310 veces más masivo que la Tierra y su radio es unas 11 veces superior. Algunos de los detalles de su meteorología han sido observados durante al menos un siglo desde la Tierra como la Gran Mancha Roja de Júpiter cuyo tamaño es superior al de nuestro planeta. Saturno, de tamaño similar, es mucho menos denso con una masa en torno a las 90 masas terrestres. Su atmósfera es igualmente rica en fenómenos atmosféricos pero a 1500 millones de kilómetros del Sol es tan fría que se forman densas nieblas superiores que ocultan los detalles más profundos.


Estos cuatro planetas gigantes poseen numerosas lunas. Algunas de ellas son mundos en sí mismos tan variados como los propios planetas, con volcanes de azufre activos en Ío, superficies glaciares como en Europa en continua reformación, los lagos helados de metano líquido como los que se encuentran en Titán, la mayor de las lunas de Saturno y la única con una atmósfera destacada. Además todos los planetas gigantes poseen sistemas de anillos gobernados por la gravedad del planeta central, el más hermoso de los cuales es el brillante sistema de anillos de Saturno.

Además de estos ocho cuerpos principales, podemos distinguir miles de cuerpos más pequeños concentrados entre la órbita de Marte y Júpiter, los asteroides, y más allá del planeta Neptuno, planetas enanos como Plutón o Eris permanentemente congelados en las fronteras del Sistema Solar. Aún más lejos flotan acompañando al Sol miles de millones de cuerpos helados que se transforman en cometas cuando la gravedad de algún cuerpo los hace caer en el Sistema Solar interior.
 


Retos actuales en el estudio de los planetas:

 

La búsqueda del agua, la búsqueda de vida



Entre todos estos cuerpos tan solo la Tierra posee las características necesarias para albergar agua líquida en su superficie, y el agua es el ingrediente fundamental para la vida. Se piensa que la vida surgió en la Tierra hace al menos unos 3500 millones de años, en una época en la que Marte poseía agua líquida sobre su superficie que ha dejado amplias pruebas de su existencia en la geología marciana. Entre los retos más importantes de la planetología en el siglo XXI está la búsqueda de la vida en otros mundos y para ello se busca agua en el pasado geológico de Marte y también en el presente, oculta bajo la superficie desértica del planeta rojo. Si se encuentra agua en Marte en el presente, quizás finalmente no sea un planeta estéril para formas de vida microscópicas. El descubrimiento de metano en la atmósfera de Marte, un gas que se destruye rápidamente en las condiciones marcianas y que en la Tierra tiene un origen biológico, alimenta la posibilidad de un Marte vivo. De confirmarse este aspecto se obtendría uno de los mayores hitos científicos de la historia.
 

Figura 4: Paisaje marciano observado por el Rover Opportunity mostrando el Crater Victoria.
En el interior de un cráter como este la sonda Phoenix encontró hielo de agua a pocos centímetros sobre la superficie alimentando una mayor esperanza de un Marte hidratado en el presente. Los recientes anuncios sobre metano en la atmósfera marciana y su variabilidad permiten ser más optimistas con respecto a la capacidad de Marte para albergar algún tipo de vida microbiana. Por el momento, sin embargo, ningún experimento biológico ha podido confirmar la presencia de vida en su superficie.



Otros lugares de interés en la búsqueda de vida y en la comprensión de esta son los satélites helados de Júpiter y Saturno Europa y Encélado. El primero es un mundo grande, 3000 km de diámetro, hoyado por grietas en una superficie helada cuyas estructuras y dibujos solo pueden explicarse por la presencia de un gran océano sub-superficial. El segundo es un mundo pequeño, podría decirse que minúsculo, con solo 500 km diámetro, pero capaz de producir géiseres volcánicos que expulsan agua caliente del interior de este mundo helado. Ambos son mundos con agua, el primer ingrediente fundamental para la vida. Ambos poseen fuentes internas de energía, el segundo ingrediente imprescindible. Otro mundo de elevado interés astrobiológico es Titán, que orbitando Saturno posee una atmósfera de nitrógeno, como la terrestre, rica en el gas metano y con una composición química similar a la terrestre antes del origen de la vida, aunque enfriada, eso sí, a unos 180ºC bajo cero en virtud a la enorme distancia que separa a Saturno del Sol.

Figura 5: El ser humano ha enviado una amplia flota de sondas espaciales a explorar los diferentes mundos del Sistema Solar. En la figura superior contemplamos representaciones artísticas de la misión Cassini en Saturno, Mars Global Surveyor en Marte y la misión Deep Impact explorando el cometa Tempel 1.

 

Planetas extrasolares



Nuestro Sistema Solar es una joya de variedad y complejidad pero no es la única. Desde el año 1995 ha sido posible determinar la existencia de otros planetas orbitando estrellas relativamente cercanas. En enero del 2009 se conocen ya más de 330 planetas extrasolares formando centenares de sistemas exoplanetarios que engruesan una lista cada vez más larga. Los planetas son compañeros comunes de las estrellas en el Universo. Sin embargo, todavía no ha sido posible encontrar ningún planeta similar a la Tierra. Los métodos utilizados para estos descubrimientos favorecen el descubrimiento de planetas gigantes tipo Júpiter, especialmente si se encuentran en órbitas muy cercanas a su estrella. De hecho muchos de estos planetas son comparables a Júpiteres calientes totalmente distintos a los planetas de nuestro propio sistema. Otros, los más pequeños orbitando estrellas convencionales, podrían compararse a Neptunos cercanos a su estrella principal. Estos descubrimientos han sido sorprendentes porque los planetas encontrados no eran en absoluto como los terrestres que podíamos haber imaginado previamente. Si bien la mayoría de estos planetas orbitan estrellas corrientes algunos de estos planetas son realmente exóticos orbitando estrellas dobles muy cercanas, estrellas débiles y pequeñas a las que llamamos enanas marrones, o incluso estrellas muertas destruidas en gran parte como supernovas tras cuya destrucción se formaron nuevos planetas. Para describir esta variada situación sería necesario hablar de planetodiversidad tanto en nuestro Sistema Solar como en otros sistemas planetarios.
 

Figura 6: Izquierda: Recreación artística de la exótica atmósfera de un planeta extrasolar denominado HD 80606b en órbita muy elíptica alrededor de su estrella central. Los pasos cercanos por su atmósfera elevan fuertemente la temperatura atmosférica produciendo una dinámica atmosférica insólita. Derecha: Recreación artística del planeta HD209458b pasando por delante de su estrella tan cercano que produce una nube de gas evaporándose de él. Este gas oculta parcialmente la luz de la estrella permitiendo analizar su composición química y su abundancia. En los pasos del planeta por delante de la estrella éste oculta ligeramente la luz de la estrella permitiendo estudiar la atmósfera del planeta. De este modo puede estudiarse su tamaño, temperatura y composición química.
 

Orígenes



Entre los retos actuales de la astrofísica está la comprensión de los orígenes. El origen del Universo para los cosmólogos, pero también de nuestro Sol y nuestro planeta y de la vida en él. La formación de sistemas planetarios y de nuestro propio Sistema Solar continúa siendo un área de intensa actividad investigadora. También en este aspecto vivimos una época de cambios en la que los nuevos y grandes telescopios y la observación espacial nos han permitido observar estrellas muy jóvenes en pleno proceso de formación. Estas estrellas jóvenes, con solo unos pocos millones de años de edad, están en su mayoría acompañadas de discos de material gaseoso, manchados por polvo cósmico que permitirá la formación de planetas en pocos millones de años. Incluso, ha sido posible descubrir planetas jóvenes, recién formados alrededor de estas estrellas y también sorprendentemente distintos de lo que podríamos esperar, planetas gigantes tipo Júpiter orbitando muy lejos de su estrella principal.

 

Futuro


El futuro inmediato pasa por la búsqueda del agua en Marte y de otros indicadores de vida como el metano, por la exploración más detallada de Júpiter y Saturno, que nos permitirá comprender mejor cómo se formaron estos auténticos gigantes y como modelaron el Sistema Solar del que nosotros somos parte y por nuevas visitas a Venus que nos permitan comprender como planetas tan cercanos entre sí como Venus, la Tierra y Marte evolucionaron de forma tan distinta haciéndose dos de ellos inhóspitos para la vida tal y como la conocemos. Todo ello requiere del envío de nuevas sondas espaciales no tripuladas.

Los grandes telescopios terrestres y los futuros observatorios espaciales nos permitirán observar mejor las estrellas más jóvenes y los procesos de formación planetaria. También entre los proyectos a medio-largo plazo nos encontramos con grandes misiones destinadas a caracterizar los planetas extrasolares descubiertos a través de las características de la tenue  luz que llega de ellos y nos permite analizar sus atmósferas, un auténtico reto de enorme dificultad.

Finalmente, las distancias que nos separan de estos planetas extrasolares son tan enormes que solo la ciencia ficción permite pensar en visitar estos mundos pero la luz que nos llega de ellos nos aporta la certitud de la existencia de otros mundos y nos permite estudiarlos. Ya que los planetas son las naves en las que la vida germina en el Universo, deberemos estudiar estos mundos lejanos para encontrar una perspectiva más amplia del lugar que ocupamos como especie en el Universo.
 


Figura 7: Nuevos satélites de observación y telescopios más potentes en Tierra se diseñan en la actualidad para las próximas décadas en un intento de comprender mejor nuestro lugar en el Universo. En la Figura se representa una posible configuración de telescopios espaciales capaces de observar otros mundos tipo terrestres y determinar si en sus atmósferas se dan los ingredientes fundamentales para la vida.

AUTOR >> Ricardo Hueso Alonso y Jose Félix Rojas Palenzuela
(Dpto. Física Aplicada I, Universidad del País Vasco)



Créditos


 






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Comentarios

12 mar
00:00


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Una pequeña observación
Hola, me gustaría saber si se ha pensado en que este no era el mes más idóneo para los planetas porque se ven muy mal.

ESCRITO POR>> Jorge_INICE



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