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ASTRONOMÍA

Júpiter puso a Mercurio en vereda

Un “salto” brusco del gigante gaseoso hace más de 4.000 millones de años habría empujado al menor planeta del Sistema Solar hacia su actual órbita

Mercurio: su órbita alargada e inclinada se habría generado debido a la interacción gravitacional con Júpiter hace 4.000 millones de años

NASA / JPL / USGS Mercurio: su órbita alargada e inclinada se habría generado debido a la interacción gravitacional con Júpiter hace 4.000 millones de añosNASA / JPL / USGS

La comprensión de los orígenes de Mercurio, el menor planeta del Sistema Solar, constituye uno de los problemas que siguen abiertos en lo que se refiere a la dinámica planetaria y que más perturban a los expertos. Su minúscula masa, casi 20 veces menor que la de la Tierra, y su singular órbita alrededor del Sol, la más alargada e inclinada entre las de todos los planetas del sistema, no logran explicarse de acuerdo con la mayoría de los modelos de formación planetaria. Hasta mediados de la década de 1990, la explicación más aceptada indicaba que todos los planetas del sistema solar se habrían formado más o menos en la misma posición en la que se encuentran hoy en día. Con el descubrimiento confirmado en los últimos 20 años de casi tres mil planetas en órbitas de otras estrellas extrasolares, los llamados exoplanetas, que componen otros sistemas fuera del solar, la condición peculiar de Mercurio se configura cada vez más como una excepción en la galaxia. Y nuevas explicaciones sobre su condición ganaron espacio.

En un trabajo reciente, los científicos planetarios Fernando Roig y Sandro Ricardo de Souza, del Observatorio Nacional (ON), con sede en Río de Janeiro, y del checo David Nesvorný, del Instituto de Investigación del Sudoeste, en Colorado, Estados Unidos, plantean una nueva hipótesis tendiente a justificar la extraña localización de Mercurio, cuya órbita se encuentra siete grados inclinada con relación al plano orbital medio de los otros planetas. Basados en simulaciones en computadora de cómo habría sido la dinámica del Sistema Solar hace más de 4.000 millones de años, los científicos sugieren que la órbita del planeta se alargó y se inclinó demasiado en razón de un gran evento. En algún momento durante los primeros 500 millones de años del Sistema Solar, la interacción gravitacional entre un hipotético planeta gaseoso y gigante, del tamaño de Urano, y Júpiter, también gaseoso y gigante, habría alterado las condiciones locales. El planeta desconocido habría sido eyectado del sistema y esto habría llevado a que Júpiter se desplazase bruscamente en dirección hacia el Sol. Ese “salto” de Júpiter habría empujado a Mercurio hasta su posición actual (vea la infografía).

A este presunto evento se lo conoce con el nombre de Júpiter saltarín. De acuerdo con esta teoría, el salto de Júpiter habría sido capaz de dar origen a la actual órbita de Mercurio y también de asegurar la estabilidad de la trayectoria de todos los planetas rocosos, la Tierra inclusive, alrededor de la estrella. “Parece un contrasentido”, reconoce Roig, “pero todo indica que los planetas gigantes gaseosos tuvieron que pasar por una fase de inestabilidad para que los planetas rocosos permanezcan estables”. En las simulaciones, el salto de la órbita de Júpiter provocado por la expulsión del planeta hipotético casi no altera las órbitas de los planetas rocosos, con excepción de Mercurio. Roig explica que, en caso de que Júpiter hubiese recorrido su camino más lentamente en lugar de haber dado un salto en dirección hacia el Sol, la órbita de Mercurio podría haberse vuelto aún más alargada e inclinada de lo que lo es actualmente. De haber ocurrido eso, Mercurio podría haber sido eyectado del Sistema Solar o haber colisionado con su vecino Venus. Según el astrofísico, tal choque provocaría un efecto en cascada que destruiría a todos los planetas rocosos. Júpiter tuvo que dar un salto para que los planetas rocosos sobrevivieran”, sugiere Roig.

Hace poco más de 20 años, la mayoría de los científicos creían que los planetas del Sistema Solar se habrían formado, grosso modo, en la misma posición que ocupan actualmente, mediante un lento y suave proceso de agregación de gas y polvo. Esos modelos preveían que otras estrellas habrían dado origen a sistemas planetarios parecidos al sistema solar, con dos poblaciones distintas de planetas: los rocosos, de un tamaño parecido al de la Terra, cerca de la estrella, y los gigantes gaseosos, como Júpiter o Saturno, más alejados. “El descubrimiento de exoplanetas alteró radicalmente esta idea”, explica Roig. “Vimos que existe una variedad de configuraciones planetarias muy diferentes a nuestro Sistema Solar.”

Análisis estadísticos de las características de todos los sistemas de exoplanetas descubiertos hasta ahora sugieren que las estrellas parecidas al Sol tienden a tener sistemas planetarios muy diferentes, muchos de ellos compuestos por planetas rocosos entre dos y tres veces mayores que la Tierra, con órbitas más cercanas a sus estrellas que la distancia a la cual Mercurio se ubica respecto al Sol. La órbita de Júpiter, casi circular y bien alejada del Sol, también desentona con respecto a lo que se observa en muchos sistemas exoplanetarios.

Mercúrio_245Una nube primordial de gas y polvo
Es un consenso entre los astrónomos que el Sol y sus planetas empezaron a formarse hace 4.600 millones de años, cuando una nube gigantesca de gas y polvo situada en el espacio interestelar se colapsó debido a la acción de la fuerza gravitacional de su propia masa. Había en ese entonces un núcleo esférico de gas que dio origen al Sol y que estaba rodeado por un disco de materia a partir del cual cobraron cuerpo los planetas. Los primeros mundos que se habrían formado habrían sido los gigantes gaseosos: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, y algunas decenas de millones de años después lo fueron los planetas rocosos, Mercurio, Venus, la Tierra y Marte. Algunos investigadores especulan que Mercurio se habría originado a partir de los fragmentos de una primera generación de planetas rocosos mayores, con masas similares a la de la Tierra, y más cerca del Sol de lo que Mercurio se encuentra actualmente.

El proceso de formación de los gigantes gaseosos habría durado menos de 10 millones de años. En esa época aún había en el espacio existente entre los planetas una cantidad razonable de gas remanente de la materia del disco a partir del cual éstos se originaron. El arrastre del gas hizo que los planetas tendieran a migrar hacia las cercanías del Sol. Sin embargo, en algún momento, la atracción gravitacional mutua entre Júpiter y Saturno habría invertido el sentido de migración de los dos gigantes gaseosos apartándolos del Sol. Los científicos denominan a movimiento de ida y vuelta de los gigantes gaseosos grand tack, en una alusión a una maniobra de los barcos de vela llamada tacking, mediante la cual se revierte su curso con relación a la dirección del viento. Enseguida después del grand tack, los planetas rocosos actuales se habrían formado o estarían aprestándose a formarse, más o menos en sus posiciones actuales.

Las órbitas de los gigantes gaseosos habría sido entonces muy diferentes. Júpiter estaría un poco más alejado del Sol de lo que lo está actualmente, mientras que los demás gigantes gaseosos estarían mucho más cerca de Júpiter y también unos de otros. Es posible que los gigantes gaseosos hayan permanecido en esa configuración más compacta que la actual durante hasta 500 millones de años. Sin embargo, al estar muy cerca, deberían sufrir las constantes perturbaciones de la fuerza gravitacional unos de otros. Asimismo, esos planetas podrían padecer también la presencia de muchos  cuerpos menos masivos –planetesimales– en medio de sus órbitas.

Los gigantes fueron librándose de esos planetesimales paulatinamente, al empujarlos en dirección a los confines del Sistema Solar, donde actualmente se encuentra el llamado cinturón de Kuiper, cuyo cuerpo más famoso es Plutón, y la nube de Oort. En 2005, los astrónomos Hal Levison, Alessandro Morbidelli, Kleomentis Tsiganis y Rodney Gomes, este último también investigador del ON, presentaron simulaciones en computadora que mostraban de que manera, a partir de esa situación inicial inestable, los gigantes gaseosos lentamente se habían apartado unos de otros, al migrar durante algunos millones de años hasta sus posiciones actuales.

Conocida como modelo de Niza, por haber sido creada cuando sus autores trabajaban juntos en el Observatorio de la Costa Azul, en la ciudad francesa, esta teoría cobró relieve debido a que explica la arquitectura actual de los planetas gigantes. Con todo, en 2009, el astrónomo holandés Ramon Braser notó que la lenta migración de los gigantes gaseosos prevista en el modelo de Niza tendría una gran probabilidad de haber provocado una serie de colisiones planetarias. El movimiento de los gigantes gaseosos podría haber resultado en la expulsión de uno de éstos –normalmente Urano– del Sistema Solar.

Para resolver esta inconsistencia, el astrónomo David Nesvorný, del Instituto de Investigación del Sudoeste, quien actualmente colabora con Roig como investigador visitante del ON, propuso en 2011 que el Sistema Solar habría tenido un quinto planeta gigante gaseoso, de un tamaño similar al de Urano o Neptuno. Nesvorný calculó que la eyección de ese planeta hipotético habría hecho que la distancia de la órbita de Júpiter alrededor del Sol pasase de ser 5,5 veces la distancia de la Tierra al Sol a 5,2 veces en menos de 100 mil años. “A la escala de tiempo de formación del Sistema Solar, esa alteración de órbita habría ocurrido en un lapso de tiempo demasiado corto. Por eso la describimos como un salto de Júpiter”, explica Roig. “El modelo de Niza funciona bien para explicar la existencia de los gigantes gaseosos, pero enseguida se notó que la migración suave de los gigantes prevista en esa teoría dificultaría la formación de los planetas rocosos”, justifica el astrónomo Othon Winter, experto en dinámica planetaria de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en su campus de la localidad de Guaratinguetá. “Hasta ahora, Júpiter saltarín es la única solución que se conoce para este problema.”

Mundos errantes
En colaboración con otros científicos, entre ellos el astrónomo Valerio Carruba, de la Unesp, Roig y Nesvorný apuntaron recientemente que el escenario de Júpiter saltarín también podría explicar algunas características del cinturón de asteroides situado entre Marte y Júpiter. El resultado de las simulaciones publicadas en marzo en la revista Icarus suministra una explicación acerca de por qué los astrónomos no logran observar en el cinturón las evidencias de las grandes colisiones entre asteroides de antes de los 4.000 millones de años. En ese artículo, los autores afirman que la existencia del hipotético quinto planeta gigante –y su posterior expulsión del sistema– habría confundido las órbitas de los asteroides a punto tal de borrar cualquier evidencia de esos choques.

La idea de que un planeta gigante gaseoso haya escapado del Sistema Solar y se haya descarriado de su estrella no es tan loca como parece. Roig recuerda que astrónomos han observaron efectos de lente gravitacional en la luz de estrellas que pueden adjudicarse al paso de planetas gigantes que vagan por el espacio interestelar. Algunos investigadores estiman que existen miles de mundos errantes en la vía Láctea. “No es posible que esos cuerpos se formen lejos de las estrellas”, explica Roig. “Habrían surgido en un sistema planetario y posteriormente fueron eyectados.”

Proyecto
Familias de asteroides en resonancias seculares (nº 2014/06762-2); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Valerio Carruba (Unesp); Inversión R$ 31.200,00.

Artículos científicos
ROIG, F. et al. Jumping Jupiter can explain Mercury’s orbit. Astrophysical Journal Letters. v. 820, n. 2. 24 mar. 2016.
BRASIL, P. I. O. et al. Dynamical dispersal of primordial asteroid families. Icarus. v. 266, p. 142-151, 1º mar. 2016.
ROIG, F. & NESVORNÝ, D. The evolution of asteroids in the jumping-Jupiter migration model. The Astrophysical Journal. v. 150, n. 6. 1º dez. 2015.

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