¿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)
Capítulo 22 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!
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
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