lunes, 26 de noviembre de 2018

Territorio Gravedad - Carlos Barceló

Territorio Gravedad

Un proyecto de divulgación
¡Espectacular!






TERRITORIO GRAVEDAD_ Avance 2018 from LIPSSYNC MEDIALAB · Nacho Chueca on Vimeo.

¿Volvemos a la Luna? - Ana Inés Gómez de Castro

¿Volvemos a la Luna?
(Por Ana Inés Gómez de Castro)



La aventura lunar comenzó a finales de los años 50 (siglo XX) con la carrera espacial entre la Unión Soviética (URSS) y los Estados Unidos (EEUU). El 12 de septiembre de 1959 llegaba por primera vez una nave terrestre a la superficie lunar; la nave se llamaba Luna 2 (o Lunik 2) y fue puesta en órbita desde el Cosmódromo de Baikonur por la Agencia Espacial Soviética (RosaviaCosmos). El Luna 2 impactó en la región de Palus Putredinis cercana al cráter Arquímedes.

Entre 1966 y 1969 otras siete  naves terrestres llegaron a la superficie lunar: dos lanzadas por RosaviaCosmos, el Luna 9 y Luna 13, y cinco  misiones  por la Agencia Espacial Estadounidense (NASA), Surveyor 1, 3, 5, 6 y 7. Prácticamente todas las naves alunizaron en el hemisferio norte de la cara visible de la Luna (ver figura 1) aunque en regiones con características muy diferentes de la superficie lunar.


Figura 1: Zonas de alunizaje de las misiones hasta 2014 [1].


El gran hito de esta pre-historia lunar tuvo lugar el 20 de julio de 1969, cuando el módulo lunar de la misión Apollo XI (NASA) transportaba por primera vez hasta la superficie de la Luna a dos seres humanos. La frase de Neil Armstrong: “un pequeño paso para el hombre pero un salto gigantesco para la humanidad” (1) forma ya parte del acerbo cultural de la humanidad.

Tristemente, el programa lunar terminó con la carrera espacial.  El programa Apollo (NASA) murió en los años 70; la última misión, el Apolo XVII se lanzó en 1972. Por el lado ruso, RosaviaCosmos concluía su programa lunar el  9 de agosto de 1976, con el lanzamiento del Luna 24. A partir de ese momento, el foco de la exploración espacial tomó otro curso: misiones planetarias, observación de la Tierra, desarrollo y operación de la estación espacial internacional, observatorios astronómicos… hasta que recientemente se ha recobrado el interés por la Luna (ver figura 2).


Figura 2: Misiones lunares anuales desde 1958. La línea continua indica el número de misiones por año que llegaron a la superficie lunar incluyendo misiones que simplemente impactaron con la superficie, robots y los aterrizajes humanos de las misiones Apollo.  La línea discontinua  marca todas las misiones, incluidos los orbitadores como el Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO).


Los principales responsables de este interés renovado han sido las agencias espaciales más jóvenes: la Agencia Espacial Japonesa (JAXA), realizó una serie de lanzamientos exitosos en 2007, la Agencia Espacial India (ISRO) envió la sonda Chadrayaan-I que descubrió la presencia de agua en la Luna y la Agencia Espacial China (CNSA) inició un robusto programa lunar en 2007 con la misión Chang’e 1, seguida por las Chang’e 2 y Chang’e 3 y que continuará en 2017 y 2018 con las misiones Chang’e 4 y 5.

A las tradicionales agencias espaciales, hay que añadir la actividad de grandes compañías impulsadas por el gigante de internet Google y la visión del grupo Xprize.  La competición Google Lunar XPRIZE reúne a equipos que con financiación privada deben poner una nave en la Luna, recorrer con ella 500 metros y transmitir a la Tierra imágenes y video de alta calidad [2]. El primero que lo consiga obtendrá un premio de 20 millones de dólares aunque el objetivo fundamental de los equipos es el desarrollo tecnológico y la búsqueda de una buena posición de partida en la exploración lunar. Los equipos están frecuentemente participados por empresas tecnológicas líderes en sus países de origen y están formados fundamentalmente por equipos científicos y de ingeniería. En la actualidad hay 16 equipos registrados algunos de ellos con el lanzamiento ya definido y verificado por la organización.

El 27 de septiembre 2003, la Agencia Espacial Europea (ESA) lanzaba la misión SMART-1 inaugurando su actividad lunar. ESA ha mostrado interés en la exploración lunar recientemente, con actividades como retomar los vuelos lunares en estrecha colaboración con RosaviaCosmos y desarrollar la ingeniería para la creación de un asentamiento lunar estable. En los planes conjuntos ESA-RosaviaCosmos está la misión Selene2 que  traerá de vuelta a la Tierra una muestra del terreno del polo sur de la Luna.


1        ¿Por qué volver a la Luna?

La Luna es rica en recursos minerales y su distribución está siendo determinada por las naves en órbita lunar. Naves como LRO (NASA), Clementine (NASA),  Chadrayaan-I (Agencia Espacial de la India, ISRO) han obtenido datos sobre la distribución de rocas hidratadas y minerales en la superficie lunar (ver figura 3). Las concentraciones más elevadas de metales tales como hierro o titanio, o de algunos elementos utilizables como fuente de energía (p.e. torio que enriquecido puede utilizarse como núcleo fisionable) se encuentran en las cercanías del cráter Copérnico.  Otros materiales como el He-3 o el Tritio,  son abundantes en el regolito (2) lunar.

Por otro lado, conocer la distribución de rocas hidratadas es fundamental para determinar la localización de futuros asentamientos humanos, así como para la investigación sobre el origen de la vida.


Figura 3: El panel de la izquierda muestra la distribución de rocas hidratadas en la cara visible Luna; las regiones de colores azules a violeta, situadas en los Polos, tienen una gran concentración de rocas hidratadas [Datos: obtenidos por la misión LRO de NASA]. Los paneles centrales y derechos muestran  la distribución de hierro en la Luna, medido por la misión Clementine (NASA) [3].


En la actualidad, el coste de poner una masa de un kilogramo en la Luna es de aproximadamente 1 millón de euros, haciendo que la explotación minera lunar sea un mal negocio cuando se compara con las explotaciones terrestres, al menos de momento. La explotación mineralógica es una fuerte motivación para la exploración lunar en especial, a medida que los vuelos se abaraten y los recursos terrestres escaseen.  En un futuro más lejano, la abundancia de metales en su superficie, la ausencia de fuentes de oxidación, la disponibilidad de energía y la menor gravedad harán de la Luna un lugar privilegiado como astillero de naves espaciales y como avanzada en la exploración humana del Sistema Solar.

Más allá de las razones económicas existen poderosas razones científicas para instalar laboratorios y observatorios astronómicos en la Luna. La contaminación electromagnética de la Tierra (desde la polución lumínica a las radiofrecuencias) y la ausencia de atmósfera en la Luna hacen de nuestro satélite un lugar privilegiado para la observación astronómica. La Luna es el laboratorio más cercano para el estudio del origen de la vida y la astroquímica; la presencia de rocas hidratadas y el fuerte flujo de radiación ultravioleta proporcionan el laboratorio ideal para reproducir la formación de estructuras complejas y aminoácidos en el espacio.

Pero la razón última para volver a la Luna va más allá de estas consideraciones y es intrínseca a la naturaleza humana. La evolución de nuestra especie se mueve por la curiosidad que nos lleva a la exploración de nuestro entorno. El desarrollo científico y tecnológico está incrementando la esperanza de vida y la población mundial. En consecuencia, tanto la naturaleza humana como la presión demográfica forzarán a los humanos a expandirse en todo el territorio accesible. Y la accesibilidad de la Luna ya está tecnológicamente cercana. En resumen, vamos a volver a la Luna y esta vez para quedarnos.

La exploración y la ocupación de nuestro entorno es también una necesidad para la sobrevivencia nuestra especie: la vida humana es frágil y el Universo hostil. Si nuestra especie quiere sobrevivir tendrá que salir al espacio y extender su área de habitabilidad; es demasiado arriesgado que el único hábitat humano sea el planeta Tierra.


2        La ciudad lunar “Nueva Antártida”

La tecnología actual permite enviar con “cierta” facilidad componentes a la Luna pero su coste es todavía muy elevado (1Meuro/kg). Por lo tanto, cualquier propuesta realista pasa por una de estas tres posibilidades:

-Usar como habitáculo la nave de transporte Tierra-Luna
-Desarrollar habitáculos con materiales lunares
-Buscar estructuras geológicas estables y enterradas en la superficie lunar dentro de las cuales se pueda habilitar una base.

La primera propuesta ha sido analizada por varias agencias y solo tiene un inconveniente, el habitáculo debe de ser pequeño, dados los costes de lanzamiento, y habrá de ser “semienterrado” para proteger su interior del viento solar.

La ESA, junto con el equipo de arquitectura Foster & Partners, ha realizado un estudio de la utilización de impresoras 3-D para la creación de edificios en la Luna utilizando como base material lunar. En este trabajo están involucrados estudios y jóvenes empresas españolas del sector de la construcción.

Orbitadores lunares, como el Lunar Recognaissance Orbiter (LRO) de la NASA, están realizando mapas de la superficie lunar con gran resolución y han descubierto zonas protegidas bajo los cráteres y tubos de lava en los que, en principio, podría asentarse una colonia a bajo coste. Aunque el lugar favorito para el establecimiento de una ciudad lunar es el polo sur de la Luna dada la abundancia de agua y las condiciones del terreno (ver Figura 4).


Figura 4: Imagen del polo sur de la Luna. Los colores en los cráteres marcan la abundancia de hielo del máximo (2%) en blanco a 0.3% en azul oscuro [4].


Pero, ¿hasta qué punto es acometible el coste de esta aventura? En la actualidad, la comunidad internacional está financiando un gran proyecto espacial: la Estación Espacial International (ISS: International Space Station), ¿serían los costes comparables?

La ISS es el experimento (y la colaboración científico-técnica) más ambiciosa en la historia de la humanidad. La ISS había costado alrededor de 100,000 millones de dólares en 2010, sin contar con los viajes a la estación que incrementarían el monto total a unos 150,000 millones de dólares totales invertidos en el periodo 1998-2010 (3) .

Por lo tanto, y haciendo un prorrateo anual, se podrían colocar unas 10 toneladas al año en la Luna por el mismo costo que la ISS. Pero las Agencias Espaciales están pensando en una aproximación más ingeniosa al problema. Una flota de impresoras 3D que utilicen como material el regolito lunar y como fuente energía el sol, podría crear edificaciones e instrumentación para trabajar remotamente, desde laboratorios terrestres, en la Luna. Obviamente, al final, los humanos nos estableceríamos en la Luna pero ese paso sería mucho más caro y más tardío.

En conclusión, sí, vamos a volver a la Luna y esta vez para quedarnos.


Figura 5: Una propuesta de ciudad lunar (Moon village) realizada por la ESA, en colaboración con Foster+Partners La ciudad es construida alrededor de módulos enviados desde la Tierra que son recubiertos de regolito Lunar utilizando impresoras 3D [5].


Notas:
(1)  Todavía en 2016, una búsqueda genérica en internet de la frase “es un pequeño paso  para el hombre”, en español, arroja la frase de Neil Armstrong  en las primeras líneas.
(2)  El regolito lunar es el material de la superficie de la Luna procesado por el viento y la radiación del Sol.
(3)  Esta cantidad es equivalente a un 0,2 % del producto bruto mundial  anual (87,25 billones de dólares al año).

Bibliografía:
[1] “The locations of every Lunar landing”, Kevin Anderton, July 20th 2015; www.forbes.com
[2] lunar.xprize.org
[3] Lucy et al. 1995, Science, 268, 115
[4] Gladstone et al. 2012.
[5]http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/Building_a_lunar_base_with_3D_printing

Ana Inés Gómez de Castro
Doctora en Astrofísica
Catedrática de Astronomía y Astrofísica,
Universidad Complutense de Madrid



lunes, 19 de noviembre de 2018

La Luna y "su perfil bueno" - Pablo Marcos Arenal

¿Por qué siempre vemos la misma cara de la Luna? ¿Pasa lo mismo con los satélites de otros planetas con relación a ellos?
(Por Pablo Marcos Arenal)



En primer lugar vamos a ver qué quiere decir que siempre veamos la misma cara de la Luna desde la Tierra, luego veremos cómo han llegado la Tierra y la Luna a esa situación y por último veremos si esto mismo ocurre con los satélites de otros planetas.


1        La cara vista de la Luna

La Luna siempre muestra la misma cara porque su periodo de rotación sobre sí misma es el mismo que el de traslación alrededor de la Tierra, aproximadamente 27.32 días. Al contrario de lo que se creía hasta 1965, no ocurre lo mismo con Mercurio, que tarda 87.9 días en completar una órbita alrededor del Sol pero solo 58.7 días en rotar sobre sí mismo. Por esto desde el Sol sí se puede ver toda la superficie de Mercurio pero desde la Tierra hay una cara de la Luna que permanece siempre oculta. En el caso de la Luna se produce lo que se conoce como acoplamiento gravitacional [1].

La diferencia entre ambos casos es la misma que hay entre una noria y un tiovivo de feria. Si montamos en una noria, un observador que estuviese situado en su eje de giro vería la parte de arriba de nuestra cabeza antes de que la noria comenzase a girar. Cuando la noria hubiese dado un cuarto de giro, este observador nos vería de frente (o de espaldas, dependiendo de la dirección del giro). Y cuando llevásemos media vuelta y estuviésemos en lo más alto de la noria, el observador vería nuestros pies. En tres cuartos de giro vería nuestra espalda (o nos vería de frente). Al completar el giro, de nuevo en la parte de abajo, habría visto toda nuestra “superficie”, de pies a cabeza, literalmente. Habríamos completado una “órbita” alrededor del eje de la noria pero no habríamos girado sobre nosotros mismos. Ahora nos subiremos a un tiovivo mirando, por ejemplo, hacia el centro de la atracción que es donde está el eje de giro y nuestro observador. Cuando hubiésemos completado un giro, este observador solo nos habría visto de frente y no habría podido ver nuestra espalda, al igual que ocurre con la Tierra y la cara oculta de la Luna. En nuestro tiovivo habríamos dado una vuelta alrededor del centro de la atracción (la traslación de la Luna alrededor de la Tierra) y además habríamos dado una vuelta sobre nosotros mismos (rotación de la Luna sobre sí misma).


2        ¿Siempre la misma cara?

Ahora bien, ¿cómo ha llegado la Luna a sincronizar ambos periodos de giro? En el caso del tiovivo nuestro asiento está fijado al suelo de la atracción forzándonos a dar una vuelta sobre nosotros mismos por cada vuelta que da el tiovivo sobre su eje, pero en el caso de la Luna ¿de dónde sale esa fuerza que la ha llevado a girar sobre sí misma? Para responder a esto hay que hacer un poco de historia muy muy antigua. Vamos con ello.

La teoría más extensamente aceptada de formación de la Luna asegura que se formó a partir de los restos que se produjeron tras el choque de un cuerpo del tamaño de Marte con la Tierra. De esto hace algo menos de 4.500 millones de años. Tras el choque, la Luna quedó situada mucho más próxima a la Tierra de lo que lo está hoy en día (10 veces más cerca, entre tres y cinco veces el radio de la Tierra ¡imagina el tamaño de la Luna en el cielo!), y los periodos de rotación de Tierra y Luna eran mucho más cortos. En aquel tiempo no había sincronización entre los periodos de rotación de la Luna y su traslación alrededor de la Tierra, por lo que toda la superficie de la Luna era visible desde la Tierra. Además, debido a la proximidad entre los dos cuerpos, la fuerza de la gravedad era muy superior, por lo que la forma de la Luna era más ovalada de lo que es hoy en día. La forma de aquella Luna primitiva era más parecida a la de un huevo que a la casi-esfera que es hoy en día.

Al no tener forma esférica, la fuerza de la gravedad con la que se atraían Tierra y Luna no estaba equilibrada entre la parte achatada y la parte abultada, de manera que la Tierra ejercía un poco más de fuerza para atraer esa masa extra que sobresale en la parte abultada. En menos de 1000 años, esa fuerza extra que atraía a la parte más abultada hacia la Tierra, llevó a que la Luna modificase su periodo de rotación original (que actualmente no se conoce con precisión) y acabase apuntando con esa parte abultada hacia la Tierra. De esta manera, el periodo de rotación de la Luna sobre su eje se ajustó a su periodo orbital alrededor de la Tierra. Este efecto se conoce como acoplamiento de marea o gravitacional.



          En el dibujo de arriba se puede apreciar cómo la línea de fuerza de la parte abultada no es paralela al eje que une los centros de masa de los dos cuerpos. En el dibujo está exagerado este efecto y el abultamiento. Tras muchas órbitas, se llegó a la situación de equilibrio en la que el abultamiento se mantiene orientado en dirección a la Tierra, tal como vemos en la Luna de la izquierda en el dibujo.

Con el paso del tiempo y debido a las fuerzas que equilibrio hidrostático, la Luna ha ido perdiendo su forma ovalada para aproximarse más a una esfera, pero la sincronización entre sus periodos de rotación y orbital alrededor de la Tierra se conserva, por lo que en nuestros días vemos siempre la misma cara de la Luna.


3        Otros satélites

Este efecto de acoplamiento de marea no es exclusivo de nuestra Luna, y es habitual en otros satélites en nuestro sistema solar, incluso entre estrellas y planetas. Se conocen incluso casos fuera del sistema solar, como el exoplaneta Próxima Centauri b alrededor de su estrella Próxima Centauri.

En el sistema solar existen muchos casos de satélites acoplados a sus planetas: Marte tiene a Fobos y Deimos en acoplamiento gravitacional; Júpiter tampoco puede ver las caras ocultas de sus cuatro satélites galileanos (ni las de otros cuatro de sus satélites menores) y otro tanto ocurre con quince de los satélites de Saturno, cuatro de Urano y con dos de Neptuno. Como vemos, no podemos decir que el caso de la Luna sea un caso especial.

Plutón y su satélite, Caronte, están acoplados el uno al otro; desde Plutón solo se puede ver una de las caras de Caronte, y desde Caronte solo se puede ver una de las caras de Plutón. Al igual que el planeta enano ejerce una fuerza sobre su satélite, éste la ejerce sobre el planeta enano y, como ya hemos visto, si cualquiera de los dos cuerpos tiene una distribución de masa irregular, esta fuerza tendrá una componente que hace que se produzca la sincronización. Esto nos hace pensar que si la Tierra también tiene una distribución de masa irregular, por estar achatada por los polos y existir los efectos de marea, ¿se producirá el acoplamiento de marea de la Tierra con la Luna de manera que la Luna solo será visible desde un hemisferio terrestre? Pues en efecto, así es, pero para eso faltan 50 mil millones de años, que es mucho más que el tiempo de vida de nuestro Sol. La fuerza que ejerce la Luna sobre los abultamientos de la Tierra hacen que nuestra velocidad de rotación disminuya, de manera que los días se alargan 2.3 milisegundos por siglo. 

Este efecto de acoplamiento gravitacional se produce cuando un cuerpo órbita alrededor de otro y tiene una distribución irregular de masa que, como hemos visto, es siempre. Entonces, ¿por qué no ocurre con todos los satélites? La respuesta está en el tiempo necesario para que se produzca este efecto. Cuanto mayor sea la fuerza de atracción entre planeta y satélite (mayor masa y menor distancia entre ellos) y mayor sea el abultamiento del satélite, más rápidamente se modificará el periodo de rotación. Dependerá también de la composición física del satélite (en un satélite gaseoso desaparecerá el abultamiento mucho más rápido que en uno rocoso) y de la velocidad de rotación original del satélite, pero la clave es el tiempo necesario para que todos estos factores lleven al acoplamiento gravitacional: en el caso de la Luna hemos visto que se necesitaron 1000 años, pero puede ocurrir que para otro cuerpo se necesite un tiempo mayor que el tiempo de vida del Universo, y eso es mucho tiempo.


Notas:
[1] En realidad el caso de Mercurio es particular porque también existe acoplamiento gravitacional pero en una resonancia orbital 3:2 en lugar de 1:1 como es el caso de la Luna.

Bibliografía:
“How close was the Moon to the Earth when it formed?”, Matija Cuk
(http://web.archive.org/web/20130912213336/http:/curious.astro.cornell.edu/question.php?number=699).
“Acoplamiento de marea” (https://es.wikipedia.org/wiki/Acoplamiento_de_marea).
“Solar System Dynamics”, C.D. Murray; S.F. Dermott (1999). Cambridge University Press. p. 184.
“Eclipse predictions and Earth´s rotation”, Fred Espenak (http://eclipse.gsfc.nasa.gov/SEhelp/rotation.html).


Pablo Marcos Arenal
Doctor Astronomía
Investigador del Grupo Aegora de la Universidad Complutense de Madrid

lunes, 12 de noviembre de 2018

Plutón - René Duffard

Plutón, Plutón… quién te ha visto y quién te ve.
(Por René Duffard)



Plutón era ese noveno planeta que a casi todos nos enseñaron que estaba más allá de Neptuno. A partir de 1992 se comenzaron a descubrir más objetos de su tipo, o sea objetos trans-neptunianos (TNOs en sus siglas de inglés) y también planetas orbitando alrededor de otras estrellas. ¿Dónde está el límite? ¿Cuándo un cuerpo es planeta o asteroide? Hubo que sentarse a discutir la definición de planeta. Plutón fue descubierto en 1930 y clasificado como planeta, luego fue re-clasificado como planeta enano en 2006, unos 76 años de reinado. Plutón, no te quejes, dice Ceres, ex-asteroide, que fue descubierto en 1801 y clasificado como planeta y luego en 1850 re-clasificado como asteroide, para luego en 2006 clasificado nuevamente, pero esta vez como planeta enano.

Plutón fue visitado por la nave New Horizon en julio de 2015, un sobrevuelo muy rápido, de unas pocas horas, después de 9 años de viaje. Las imágenes y datos que envió esta nave cambiaron el concepto que teníamos de Plutón y los TNOs. Sabíamos que Plutón tenía una tenue atmósfera, que tenía manchas de albedo (zonas más brillantes que otras en su superficie), teníamos una estimación de su estructura interior. Sabíamos que tenía un gran satélite llamado Caronte, y 4 satélites más pequeños.

¿Cómo sabíamos todo esto? La presencia de una atmosfera se infiere a partir de ocultaciones estelares producidas por Plutón. Se observa como cambia la luz de una estrella cuando Plutón pasa frente a ella. Cuando se ve que la luz disminuye en forma gradual hasta desaparecer y luego la estrella comienza a verse nuevamente en forma gradual, se infiere que es debido a una atmósfera y hasta se puede caracterizar esa tenue atmósfera que tiene Plutón. Un cuerpo sin atmósfera, al pasar frente a una estrella y producir una ocultación, deja una huella característica, donde se puede ver que la luz de la estrella cae bruscamente al ser ocultada por la superficie del objeto. Al tener atmósfera, la luz de la estrella cae gradualmente en una ocultación.

La estructura interna (si tiene un núcleo más denso, un manto y una corteza) se puede conocer al combinar mediciones muy detalladas de su diámetro y de su masa. Si tenemos el diámetro, tenemos el volumen del cuerpo y teniendo también su masa podemos obtener la densidad media del cuerpo, dato fundamental en ciencias planetarias. El diámetro se puede conocer con buen detalle usando ocultaciones estelares o con mediciones térmicas utilizando telescopios espaciales como Herschel por ejemplo y la masa se determina a partir de la interacción gravitatoria con el/los satélites o con una nave espacial si se puede acercar al cuerpo estudiado. Con esos parámetros se determina la densidad media del objeto y de ahí su estructura interna. La densidad media de la Tierra es de 5.51 gr/cm3, la del agua es de 1 gr/cm3, la de Júpiter, 1.33 gr/cm3 y la de Plutón de 1.88 gr/cm3. Concluimos de esto que la Tierra tiene un interior formado de rocas, Júpiter como es enorme tiene que contener mucho material en estado gaseoso, y Plutón por su tamaño y densidad tiene que tener un interior que es mezcla de rocas y hielos.

Pero lo más sorprendente que encontró la nave New Horizon, fueron los detalles en la superficie de Plutón. Esas manchas más brillantes que se veían en las imágenes tomadas por el telescopio Hubble, eran debido a la presencia de hielo en parte de la superficie. Pero ese hielo no es de agua, es de nitrógeno. ¿Cómo es que puede existir hielo de nitrógeno? Bueno, Plutón tiene una temperatura media de 40 K, eso es 230 grados bajo cero. ¿Y puede haber tanto nitrógeno? Claro que sí, en la Tierra lo hay, pero está en estado gaseoso, el aire está compuesto de 78% de nitrógeno y 21% de oxígeno. O sea que nitrógeno hay, tanto en Plutón, como en la Tierra, como en los otros planetas. En Plutón existen casquetes polares o una Antártica compuestos de hielo de nitrógeno, donde se pueden ver montañas compuestas de agua sobre un manto de nitrógeno sólido. Ese enorme glaciar, nombrado Sputnik por el equipo de la nave, es el más grande del sistema solar. Presenta unas formaciones, como células poligonales (ver figura 1) enormes. Esta capa de hielo de nitrógeno de algunos kilómetros de profundidad, se calienta lentamente por el calor interno del planeta enano y sube lentamente a la superficie como una burbuja de agua hirviendo. Desde arriba, estas estructuras se ven como células poligonales de unos 20 kilómetros de extensión. Es curioso que sea el nitrógeno lo que produce estas células, pero resulta que los 40 K de temperaturas es justo la temperatura donde el nitrógeno puede coexistir como sólido, líquido y gaseoso. Similar a lo que pasa con el agua aquí en la Tierra.


Figura 1: Zonas poligonales de hielo de nitrógeno en la superficie de Plutón. 
Cada una de estas zonas tiene unos 20 kilómetros de extensión.


Estas formaciones están en permanente cambio y se mueven, muy despacio, unos pocos centímetros al año, a la velocidad de crecimiento de una uña, por ejemplo. Esto quiere decir que cada 500 mil años, el hielo de nitrógeno en la superficie de Plutón se renueva completamente. Y esta es la causa principal por la que vemos ese hielo tan brillante o nuevo, y que tiene un albedo alto.

En la superficie de esta planicie de nitrógeno, dentro de estas células de convección, se ven como pequeños cráteres, que son producidos por pequeñas burbujas que llegan a la superficie y explotan para luego congelarse dejando en la superficie miles de pequeños cráteres. Es como ver desde arriba una sopa crema en ebullición y cada vez que una burbuja explota, se congela en la superficie dejando un cráter (ver figura 2).


Figura 2: En esta imagen podemos ver en detalle 
las zonas planas de hielo de nitrógeno con los pequeños cráteres en el límite con las regiones más oscuras donde acaba el casquete de hielo. 
Y en este link un video de un sobrevuelo con detalles increíbles 
sobre la superficie de Plutón


Me imagino un diálogo entre dos geólogos en un congreso de un futuro próximo:
          -¿Tu a qué te dedicas?
          -A la geología de las rocas volcánicas, como las que hay en Tenerife, Hawai, Marte, la Luna, Mercurio, el asteroide Vesta. ¿Y tú?
          -Yo me dedico a la geología de los volátiles. Glaciares de N2, montañas de agua, crío-volcanes, células de convección de N2, planicies de metano congelado.
          -¿Tomamos un café caliente?
          -No gracias, mejor un granizado.

Y volviendo a la atmosfera de Plutón, ¿es parecida a la atmósfera de la Tierra? Para nada. Primero porque la presión atmosférica es muy, pero muy inferior. Algunos expertos se niegan a catalogar esto como atmósfera (ver figura 3). La composición es fundamentalmente nitrógeno, con algo de metano y algo menos de monóxido de carbono. Y tiene una presión atmosférica de unos 10 microbares (la presión atmosférica a nivel del mar aquí en el Tierra es de 1 bar). Esta atmósfera existe rodeando a Plutón como una neblina solo porque este planeta es suficientemente grande como para retenerla. Los gases de la atmósfera están ahí debido a la sublimación de los hielos de la superficie.


Figura 3: Detalle de la superficie de Plutón 
donde también se aprecian las diferentes capas en la atmósfera.


¿Y qué podemos decir sobre Caronte?  Es el satélite más grande de Plutón, de hecho son un sistema binario. La relación de tamaños entre Caronte y Plutón es mayor que la relación de tamaños entre la Luna y la Tierra.

Se cree que Caronte se formó a partir de una colisión de otro cuerpo con Plutón. Todavía se ven marcas de esa colisión en Caronte que no ha conseguido borrarlas de su superficie (ver la imagen de la figura 4). En esa imagen se puede apreciar una fractura, como el Gran Cañón del Colorado, pero mucho más profundo. La imagen se obtuvo en el mayor acercamiento de New Horizon a Caronte, y se puede apreciar justo en el limbo, la profundidad de la fractura. Tiene unos 9 km de profundidad y unos 700 km (casi toda España de norte a Sur) de largo. Este cañón es casi tan profundo como el Valle Marineris en Marte.  Se cree que este cañón se formó al congelarse un océano en el interior de Caronte y se expandió generando esa súper fractura.

Plutón tiene otras 4 pequeñas lunas: Styx, Nix, Kerberos e Hydra. Antes de la visita de la nave New Horizon, se conocía muy poco de ellas, gracias al telescopio espacial Hubble. Ahora se conoce algo, poco más, como que tienen solo unos 30 a 40 km de diámetro y que son bastante brillantes, tienen el albedo alto. Eso hace inferir que estarían compuestas de hielo de agua. Estos satélites serian fragmentos de la colisión que formó a Plutón y Caronte.

Fue muy difícil obtener todos estos datos, estas fotografías por la nave New Horizon. Desde mi punto de vista es un logro combinado de la ingeniería, astrofísica, telecomunicaciones, software, y muchas otras áreas. Esas fotografías de alta definición que la sonda envió a la Tierra son un logro científico increíble. La nave viajaba a 50000 km/h, la iluminación solar a esas distancias es mucho menor que en la Tierra, el objeto a fotografiar es oscuro, y estaba a 5900 millones de kilómetros de la Tierra.


Figura 4: Caronte visto por New Horizon 
y en detalle la gran fractura donde se aprecia su profundidad 
al ser vista en el limbo del satélite.


¿Con todas esas condiciones quieren que obtenga buenas fotografías? Es como que te pidan construir una cámara de fotos, que luego va a ser sacudida muy violentamente (durante el despegue), que viaje durante 9 años y cada tanto se encienda para obtener fotos de Marte y Júpiter. Luego tienes que enviarle las instrucciones a esa cámara de fotos para programar la serie de fotografías ya que la señal o los datos enviados/recibidos tardan 5 horas en llegar a la nave. Tiene que estar todo programado a la centésima de segundo. Es como estar subido en un coche de Fórmula 1, pasando por un túnel oscuro, y obtener fotografías de un trozo de carbón dentro de ese túnel. Y lo más difícil, programar la adquisición de esas fotografías mientras el coche está viajando hacia ese túnel. Tengo que saber dónde está Plutón y sus satélites en aquel momento, cómo están de iluminados, a qué velocidad relativa pasa la nave y a qué distancia de la superficie de cada uno de ellos voy a pasar, obtener esos datos, guardarlos en la memoria y luego, cuando todo haya pasado, enviarlos a la Tierra. Sencillamente increíble.

La nave ha enviado 10 Gb de datos desde Plutón (recordemos que una película en formato AVI tiene del orden de 1 Gb de tamaño) y lo hizo a lo largo de 9 meses, es que la velocidad de transferencia es muy lenta. Y luego nos quejamos de nuestra velocidad de bajada de datos en internet.

La nave New Horizon ha marcado un nuevo hito en la exploración espacial. Ha viajado 9 años, para tener un encuentro de unas pocas horas y enviar información sin precedentes de la parte más externa de nuestro sistema solar. Esta visita es la primera a un objeto trans-neptuniano y ha abierto las puertas de una nueva geología. Seguimos aprendiendo de los datos que ha enviado y se aplicarán a los otros TNOs que estudiemos. Esta parte del sistema solar es la que menos ha cambiado desde su formación y por eso es tan importante estudiarla. Estos estudios permitirán entender también las condiciones que se encuentran algunos exo-planetas que se han descubierto y que se descubrirán. Todo este conocimiento seguro que estará presente en las películas y series de ciencia ficción que se hagan a partir de ahora.


René Duffard
Doctor en Astronomía
Contratado Ramón y Cajal en Instituto de Astrofísica de Andalucía – CSIC



Ha finalizado la Licenciatura en Astronomía en la Universidad Nacional de Córdoba, en Argentina, presentando un trabajo sobre el uso de las ocultaciones estelares para el estudio de atmósferas de planetas gigantes. Luego ha realizado el doctorado en Astronomía en el Observatorio Nacional en Rio de Janeiro, Brasil, presentado una tesis sobre las propiedades físicas de asteroides.

A partir de ahí ha realizado una serie de estancias post-doctorales, la primera en el Max Planck Institute para el estudio del Sistema Solar, trabajando en la misión DAWN y la preparacion de la cámara de imágenes. Luego otro post-doc “Juan de la Cierva” de 3 años, ya en Granada, para estudiar las propiedades físicas de asteroides y TNOs. Luego un contrato “Ramón y Cajal” de 5+2 años, ya de investigación independiente que acaba de terminar.

Actualmente se encuentra contratado por un proyecto europeo H2020 que estudia las propiedades físicas de asteroides y TNOs. Instituto de Astrofísica de Andalucía - CSIC.

lunes, 5 de noviembre de 2018

¿Planetas? - Pablo Marcos Arenal

¿Por qué no todos los objetos que orbitan alrededor del Sol son llamados planetas?
(Por Pablo Marcos Arenal)



Si buscamos este capítulo en el libro de Asimov que aquí estamos revisando, nos encontramos con que su título original era “¿En qué difiere Plutón con todos los demás planetas?”. Ocurre que, desde la XXVI Asamblea General de la Unión Astronómica Internacional (IAU por sus siglas en inglés), Plutón dejó de considerarse un planeta. Es por esto que era necesario cambiar el título del capítulo y centrarnos en explicar qué es un planeta y en qué se distingue de los demás objetos celestes que orbitan alrededor de nuestro Sol.

Bien podríamos simplemente responder a la pregunta atendiendo a la definición  de planeta que nos ofrece el diccionario; Según la Real Academia de la Lengua Española (RAE):
«Planeta: Del lat. planēta, y este del gr. πλανήτης planḗtēs; propiamente 'errante'.
»Cuerpo celeste sin luz propia que gira en una órbita elíptica alrededor de una estrella, en particular los que giran alrededor del Sol: Mercurio, Venus, la Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno y Plutón».

          Esta definición [1] nos deja en el mismo lugar que nos dejó Asimov allá por 1975 en el capítulo original, con Plutón en la lista de planetas. Conclusión: la definición de planeta es obsoleta y tendremos que atender a la resolución de la IAU para encontrar la respuesta rigurosa que estamos buscando. Lo cierto es que nuestro objetivo aquí no es hacer una disertación lingüística y llevar el tema al terreno de la semántica. Nuestro objetivo es aprender ciencia… y entenderla. 

          Aun así, todo esto no hace sino plantearnos nuevas cuestiones: ¿Por qué toda esta controversia?, ¿por qué sacar a Plutón de la lista de planetas si sus características no han cambiado y son bien conocidas?, ¿qué ha cambiado para que la IAU tomase esta polémica decisión? Podemos decir que mucha culpa de todo esto la tiene un objeto celeste descubierto por Michael E. Brown y su equipo el 5 de Enero de 2005 desde Monte Palomar. Este objeto, que se bautizó como Eris, es más masivo que Plutón (la masa de Eris es de ~1,66×1022 kg frente a los ~1,305×1022 kg de Plutón) y tiene una órbita elíptica alrededor del Sol, por lo que la NASA llego a considerarlo el décimo planeta del sistema solar. Bien podría haberse actualizado la lista de planetas en aquel momento para simplemente añadir a Eris, pero ocurría que poco tiempo antes se había descubierto otro objeto con un tercio de la masa de Plutón y forma elipsoidal que también pudiera haber sido considerado un planeta [2]. La sospecha de que seguirían apareciendo más objetos de este tipo y que la lista de planetas tendría que actualizarse con relativa frecuencia, llevó a la necesidad de encontrar una definición de planeta que fuese inequívoca y aceptada por la mayoría de la comunidad científica.


1        ¿Qué es un planeta?

El 24 de agosto de 2006 la IAU acordó en su resolución B5, por amplia mayoría, que un planeta del sistema solar es un cuerpo celeste que:
1)       Órbita alrededor del Sol.
2)       Tiene suficiente masa para que su gravedad supere las fuerzas del cuerpo rígido, de manera que asuma una forma en equilibrio hidrostático (prácticamente esférica).
3)       Ha limpiado la vecindad de su órbita.
Según esta definición, el sistema solar consta de ocho planetas: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Además, se designa una nueva categoría: planeta enano. La única diferencia entre planeta y planeta enano es que este último no ha limpiado la vecindad de su órbita. Por si hubiese alguna duda, la resolución B6 de la IAU zanja: Plutón es un planeta enano.

          Así pues, la diferencia entre planeta y planeta enano es que haya limpiado, o no, la vecindad de su órbita. Esto quiere decir que en la vecindad de la órbita del objeto no hay cuerpos de tamaño comparable al suyo, excepto sus satélites u otros objetos bajo la influencia de su campo gravitatorio; se dice en este caso que el objeto tiene predominancia gravitatoria. En el caso de Plutón ocurre que está ligado gravitacionalmente con Neptuno, y en su recorrido alrededor del Sol coincide con objetos del Cinturón de Kuiper, como ilustra el dibujo de abajo.


Figura 1: Plutón, Eris y el Cinturón de Kuiper. Crédito: www.nature.com

          En esta ilustración parece claro que Neptuno debe ser considerado un planeta y Plutón y Eris deben ser considerados planetas enanos, puesto que en la vecindad de sus órbitas hay multitud de objetos del Cinturón de Kuiper. Pero surgen nuevas preguntas: ¿y si fuese Plutón el que tuviese predominancia gravitatoria sobre Neptuno?, ¿cómo se mide dicha predominancia?, ¿por qué los planetas enanos tienen órbitas más excéntricas que los planetas propiamente dichos?, ¿no sería más fácil discriminarlos atendiendo a un criterio de excentricidad?

          En realidad no existe un criterio oficial que determine cuando un planeta ha limpiado la vecindad de su órbita o tiene predominancia gravitatoria, aunque algunos astrónomos sí han estudiado la cuestión y ofrecen diferentes criterios para proporcionar unos valores cuantificables que permitan hacer la distinción de manera inequívoca. Los criterios más conocidos son los de Stern–Levison, Soter y Margot, aunque lo cierto es que un planeta nunca puede limpiar completamente su vecindad orbital porque a lo largo de su vida aparecerán asteroides y cometas que interaccionen con el planeta al cruzar su órbita y puedan perturbar su predominancia gravitacional con el paso del tiempo.  Atendiendo a cualquiera de los criterios mencionados, utilizando las masas y órbitas de los candidatos a planeta, no existe ninguna duda de que los planetas deben ser los 8 propuestos por la IAU, y que es Neptuno el que tiene predominancia gravitatoria sobre Plutón y no al revés.

          Por otro lado, la excentricidad de una órbita no tiene porque estar ligada con la predominancia gravitatoria. La excentricidad de una planeta nos dice lo cerca que está de tener una órbita perfectamente circular (excentricidad igual a cero). La excentricidad de las órbitas de los 8 planetas es menor de 0.1 (oscilan entre 0.007 de Venus y 0.093 de Marte) excepto la de Mercurio, que es de 0.206. Por tanto, al tener Mercurio una excentricidad mayor que la de los planetas enanos Ceres (0.080), Haumea (0.189) y Makemake (0.159), queda claro que no se puede utilizar como criterio para discernir entre unos y otros.


2        Equilibrio hidrostático

Habiendo aclarado el tercer punto de la resolución de la IAU, y dado que el punto primero no necesita mucha aclaración, nos queda explicar el segundo punto. En este punto nos encontramos con otro concepto al que debemos prestar atención: ¿qué quiere decir que su gravedad supere las fuerzas del cuerpo rígido y asuma una forma en equilibrio hidrostático?  Pues simplemente que tiene forma (aproximadamente) esférica. De nuevo, se puede entrar en la discusión de qué es aproximadamente esférico, pero resulta evidente que ninguno de los planetas puede llegar a ser una esfera perfecta. En un cuerpo de tamaño planetario y en un entorno como el del sistema solar (llegan más de 40.000 toneladas de material a la Tierra cada año) siempre aparecerán perturbaciones que le alejen de ser una esfera matemáticamente perfecta.

Podemos considerar un objeto celeste con una masa cualquiera, pero no con una forma cualquiera; imaginemos el típico satélite artificial con sus paneles solares desplegados a los lados de su cuerpo: tiene la forma que los ingenieros han considerado que es óptima para su función, muy lejos de ser esférica. Consideremos que éste es un objeto celeste, orbitando alrededor del Sol ¿podría ser considerado un planeta? Cumple el punto 1, pero incumple los puntos 2 y 3 que exige la IAU para serlo. Incumple el tercer punto porque no habría limpiado su vecindad orbital. Como ya hemos visto, no puede tener predominancia gravitatoria pues solo tiene unas pocas toneladas de masa y acabaría viéndose atrapado por la atracción gravitatoria de otro cuerpo más masivo. Pero, ¿qué ocurriría si tuviese la misma forma que hemos propuesto pero una masa muy superior? Imaginemos que pudiésemos construir un satélite mucho más grande y masivo, y que podemos lanzar este inmenso satélite al espacio y colocarlo en la órbita de Mercurio (por ejemplo). Pongamos también que tiene una masa mayor que la de Mercurio, de manera que fuera nuestro satélite el que tuviese predominancia gravitatoria. Ahora sí estarían cumpliéndose los puntos primero y tercero, pero seguiría sin cumplir el segundo por mantener su forma original, lejos de ser esférica, y no podría considerarse un planeta. En realidad este sería el menor de los problemas de nuestro satélite, puesto que un objeto de tal masa con una forma irregular, acabaría colapsando sobre su propio centro de masas, rompiendo las fuerzas de sólido rígido y adoptando un estado de equilibrio hidrostático. Las estructuras que soportan los paneles solares colapsarían por su propia gravedad y caerían como una torre de fichas de dominó que hubiésemos hecho demasiado alta. Y lo mismo ocurriría con cualquiera de las partes que sobresaliesen de su irregular estructura. 

Tendría que pasar algún tiempo hasta que nuestro maltrecho satélite llegase a tener forma aproximadamente esférica, pero es lo que acabaría ocurriendo. Un cuerpo celeste con una mayor constitución gaseosa que un cuerpo rocoso tardará mucho menos en adoptar una forma esférica, pero en el tiempo necesario para el proceso de formación planetaria es lo que acaba ocurriendo tanto con uno como con otro. 

          Existen discrepancias respecto de si la definición de planeta que propuso la IAU y que aquí hemos visto es la más apropiada, y hubo muchas protestas cuando se eliminó a Plutón de la lista de planetas. En cualquier caso, esta definición es actualmente aceptada por la inmensa mayoría de la comunidad científica y permite determinar inequívocamente si un objeto celeste es un planeta o no, por lo que a partir de ahora, si descubres algún nuevo cuerpo celeste en nuestro sistema solar, podrás saber si es o no un planeta. ¡Mucha suerte en la búsqueda!


Notas:
[1]. Podría discutirse que otros diccionarios en otras lenguas pueden ofrecer definiciones más rigurosas que la que nos propone la RAE, pero no es el caso de los reputados diccionarios ingleses Cambridge Dictionary y Merriam-Webster (invito a los curiosos a buscar las definiciones que ofrecen e, inevitablemente,  a quedar atónitos). Consideraremos la definición de la RAE tan buena como la de cualquier otro diccionario.
[2]. Existe una polémica sobre el equipo descubridor de este objeto entre los observatorios de Sierra Nevada y Monte Palomar; tanto es así que la IAU no reconoce un descubridor de manera oficial. Aunque la IAU reconoce que el lugar del descubrimiento es Sierra Nevada, el nombre del objeto (el nombramiento es un privilegio otorgado al descubridor) es el propuesto por el equipo de Monte Palomar: Haumea.

Bibliografía:
 "IAU 2006 General Assembly: Resolutions 5 and 6" , IAU. 24 de agosto de 2006.
 "IAU 2006 General Assembly: Result of the IAU Resolution votes" (Press release), IAU . 24 de agosto de 2006.

Pablo Marcos Arenal
Doctor Astronomía
Investigador del Grupo Aegora de la Universidad Complutense de Madrid

domingo, 4 de noviembre de 2018