Plutón, Plutón… quién te ha visto y quién te
ve.
(Por
René Duffard)
Capítulo 21 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!
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.
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.
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