Los Gigantes helados y su importancia

Hay dos enigmáticos gigantes en la fría periferia de nuestro sistema solar, muy lejos, de hecho, Urano esta 19 veces más lejos del Sol que la tierra, y 30 veces en el caso de Neptuno, lo que también quiere decir que tardan mucho en completar una órbita, un año en el caso de Neptuno se remonta a 165 años en la Tierra, lo que también quiere decir que son muy fríos, partes de sus atmosferas pueden alcanzar temperaturas por debajo de los - 200 ᵒ Celsius y dada sus localizaciones los hacen los exóticos mundos que son, un ejemplo de ello son sus llamativos colores y que provienen de poseer gruesas atmosferas ricas en metano que absorben la luz roja pero reflejan la azul y la verde. Ambos planetas son claramente diferentes de los demás en el Sistema Solar. 

Estos aguardan a que los científicos revelen más de sus secretos, ¿están listos para desvelarlos ahora? Hay un creciente interés recientemente para el retorno de una misión a los gigantes helados Urano y Neptuno, sin embargo hay que decir que en el momento del lanzamiento de la nave espacial Voyager 2 en el 1977, los planetas estaban alienados de una forma muy especial que permitía que pudiéramos sobrevolar Júpiter obteniendo un empuje de asistencia gravitatoria y volar hacia Saturno y tomar allí otro impulso y volar hacia Urano y después alcanzar Neptuno, todos los planetas gigantes fueron visitados de una vez, no ha habido desde entonces una alineación semejante y no habrá otra por muchas dedicadas. 

Cuando la Voyager 2 sobrevoló Urano pocas sorpresas fueron reveladas, quizás habíamos sido consentidos por las maravillas de Júpiter y Saturno que cuando vimos estos mundos exteriores nos decepcionamos, pero hoy nos hemos dado cuenta de su importancia y la verdad es que todavía hay mucho que no sabemos, esta circunstancia junto con el hecho de que hay nuevos y más poderosos cohetes en el horizonte por parte de la NASA pintan un interesante futuro inmediato. Así pues, en agosto del pasado año, Jim Green de la NASA les dio a los ingenieros del Jet Propulsion Laboratory de Pasadena, en California, un año para averiguar cómo y que se necesitaría para volver a poner una nave espacial en órbita alrededor de Urano o Neptuno. 

Urano visto como un disco sin minguas características apreciables, fotografiado por la Voyager 2 en 1986. Crédito: NASA 

Esto es lo que Green, director de la División Planetaria de la NASA dijo: “Estos mundos son una importante frontera, y no sabemos mucho acerca de ellos. Esta es una era muy emocionante para nosotros para poder estudiarlos.” Dado lo que hemos aprendido de los nuevos exoplanetas descubiertos y de las futuras capacidades de los diseños de los cohetes nuevos ha hecho que estos mundos distantes sean más relevantes que nunca. 

Básicamente tenemos cuatro planetas gigantes en nuestro sistema solar, Júpiter y Saturno, Urano y Neptuno, años atrás todos eran considerados como ‘Gigantes Gaseosos’ pero mucho hemos aprendiendo desde entonces como que las estructuras internas de Urano Y Neptuno son sustancialmente distintas de las estructuras internas de Júpiter y Saturno por lo que ahora llamamos a los dos primeros ‘Gigantes Helados‘. 

La principal diferencia es que Júpiter y Saturno tienen densas atmosferas de hidrogeno, en Urano y Neptuno también se dan estas atmosferas de hidrogeno, sin embargo, son relativamente finas en comparativa. De hecho, tanto el interior de Urano como el de Neptuno tienen un grueso manto de material saldo con agua, metano y elementos similares haciéndolos fundamentalmente diferentes de los planetas gigantes gaseosos, con lo cual eso hace que tengamos tres tipos de planetas en el Sistema Solar, los terrestres, los gigantes gaseosos y los helados. 

Modelos internos de los planetas gigantes. Wikipedia 

La misión Espacial Kepler ha revelado gran cantidad de planetas nuevos de cuales hay muchos gigantes helados, haciendo de estos un importante tipo de planetas dado la gran abundancia que de ellos hay. Lo que hemos descubierto a groso modo es que existen, planetas tipo Tierra, planetas Súper Tierra, Gigantes Gaseoso, Gigantes helados, y Súper Gigantes Gaseosos, y al parecer uno de los más comunes son los planetas Gigantes Helados. 

De hecho, nuestros gigantes helados podrían ser una de las fuerzas impulsoras en la construcción del Sistema Solar, hay un modelo llamado Nice, de astrónomos franceses quienes han desarrollado una teoría para explicar el Sistema Solar como lo vemos hoy en dia, y que básicamente subraya que los planetas no se formaron dónde están hoy en día, sino que migraron mucho después de la disipación del disco protoplanetario de gas inicial. 

Un disco planetario, arte por Pat Rawlings, NASA

Mientras el Sistema Solar evolucionaba Júpiter migró lentamente hacia el interior, Saturno migró lentamente hacia afuera y en un momento concreto llegaron a estar en resonancia, en otras palabras, por cada vez que Saturno giraba alrededor del Sol una vez Júpiter lo hacía dos veces, así que cuando esta resonancia ocurrió Neptuno fue expulsado hacia afuera y Urano tomo su puesto ocupando su lugar actual, así pues Urano y Neptuno intercambiaron posiciones, causando que se arremolinaran todos los objetos pequeños en el Sistema Solar Exterior, Asteroides, Cometas, y Objetos del Cinturón de Kuiper arrojándolos al Sistema Solar Interior siendo la causa del periodo que se conoce como bombardeo intenso tardío. También se cree que quizás el agua fuera llevada hasta el interior del Sistema Solar de esta forma, haciendo que la Tierra pudiera ser habitable. 

La cuestión está en ¿porque son estos planetas así? La respuesta podría contarnos como se formaron el resto de planetas. Nuestros planetas en el Sistema Solar se componen de combinaciones únicas en cuanto las combinaciones químicas de sus elementos, mientras que los gigantes gaseosos están hechos casi por completo de hidrogeno y helio, o lo que es lo mismo el material básico de las estrellas, Urano y Neptuno son trozos de metano y anomia en forma de hielo, y por supuesto estos gigantes gaseosos son completamente distintos a los planetas rocosos del interior como nuestra propia Tierra. 

Así que ¿Por qué tenemos esta variedad? Pues la respuesta a esta pregunta reside el gradiente de temperatura de nuestro propio hogar el Sistema Solar. Para visualizar esto tenemos que ir atrás en el tiempo, al momento mismo del nacimiento del Sistema Solar. Antes de que tuviéramos planetas había una gran nube de polvo y gas, conocida como nébula solar y fue en el corazón de esta nébula que nuestra propia estrella, el Sol, naciera, sin embargo, la creación de la estrella no uso todo el gas y polvo, el resto de la nube continúo rotando, aplanándose en un disco. 

Variación teórica computarizada de temperatura a lo largo de nebular solar primitiva
basado en Eric Chaisson and Steve McMillan

Poniéndolo en perspectiva, justo en el centro del Sistema Solar, el calor del Sol eleva la temperatura en más de 1.700 grados Celsius, pero una vez que nos movemos del centro hacia el borde del disco, la temperatura baja, llegando a la increíble distancia de catorce billones y medio de kilómetros la temperatura baja a la friolera de menos 250 grados Celsius. Y es este gradiente de temperatura desde un infierno hasta un congelador que es crítico en la manera en que cada planeta se forma, porque cada elemento y compuesto tienen sus propiedades específicas, formas únicas en las que responden a ciertos ambientes o condiciones.

Tomemos el agua, por ejemplo, enfriémosla hasta que esté muy fría y formará hielo, pero calentémosla y se va vaporizar en un gas, el factor crítico aquí es la temperatura a la que un elemento dado se convierte en sólido, porque cuando la materia está en estado sólido más bien que en liquido o gas, es cuando es mucho más factible que se convierta en un elemento constructivo de un planeta, por ello que el gradiente de temperatura sea tan importante. 

Ahora bien, la distancia esta relacionada con la temperatura, cerca de nuestra Sistema Solar primordial, la temperatura se eleva por encima de los mil grados Celsius. En este calor abrasante solo ciertas rocas y metales pueden permanecer sólidos y por ello que Mercurio, Venus, la Tierra y Marte están compuesto principalmente de rocas y silicatos, ya que la mayoría del material rocoso posee un punto de fusión bastante alto de 1.200 grados Celsius, así que aparte de muy cerca al Sol las rocas son sólidas en todo el Sistema Solar, y eso explica porque encontramos rocas y metales en todos los planetas, incluidos los gigantes helados. 

Movámonos más afuera en el Sistema Solar, más allá de Marte, y ahora alcanzamos la línea de congelamiento, una línea imaginaria en donde la temperatura baja a los cero grados y el agua helada puede formarse, lo interesante de esto es que el hielo se junta mucho más fácilmente de lo que las rocas lo hacen, y ello explica porque los gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno son como globos rellenos de helio, el hielo ayudo a que sus nácelos se formasen muy temprano y pudieran absorber grandes cantidades de gas de disco protoplanetario. Es solo cuando nos alejamos mucho, de hecho, mucho más, el doble de la distancia desde la tierra a Saturno en que empezamos a ver aparecer la materia que forma a los gigantes helados. Cuando llegamos a la órbita de Urano, la temperatura es tan baja que no solamente se congela el agua, sino que además los gases complejos como el metano y la armonía se convierten en hielo también. 

Impresión artística de la línea de nieve

De repente esos volátiles gases están atrapados en forma sólida y pueden empezar a juntarse convirtiéndose en las semillas que formaran Urano Y Neptuno. Estos complejos compuesto químicos les dan sus llamativos colores e impulsan sus extraordinarios sistemas climatológicos. Y mientras más y más de estos volátiles hielos se agolpan en una mezcla con agua congelada, para formar un asombroso 60% del total de la masa del gigante helado, pero esto no podría suceder sin el frio extremo de los confines del Sistema solar, algo más cerca del Sol y estos planetas simplemente no podrían haberse formado. 

Estos gigantes helados nos pueden parecer exóticos, pero como se ha dicho, recientes estudios sugieren que podrían ser los tipos de planeta más comunes en la galaxia. Una posible razón de esto podría radicar en un elemento en particular dentro de nuestros gigantes helados, y eso es una extraña peculiaridad con nuestros gigantes helados Urano y Neptuno, y es que tienen 60 veces más carbón en ellos de lo que vemos en el Sol lo cual es bastante emocionante porque es más carbón del que encontramos en la Tierra y de hecho más carbón del que vemos en Júpiter o Saturno unas 20 veces más , así pues esto es una señal que apunta a su formación y al porqué de que sean de alguna manera distintos.

Y probablemente se relaciona con el hecho de que Urano y Neptuno se formasen muy cerca de la llamada línea de nieve del CO o línea de nieve del monóxido de carbón. Este es el punto en que el monóxido de carbón se congela, y ese hielo puede comenzar a ser la materia de construcción para formar Urano y Neptuno. Los científicos creen que esta banda de monóxido de carbón helado puede existir también en otro lugar, y ahora hay prueba de ello. En el 2013 el telescopio ALMA se usó por vez primera para fotografiar la línea de nieve del monóxido de carbón en disco protoplanetario fuera del Sistema Solar, un lugar en donde podrían estar formándose planetas, y la evidencia sugiere que la mayoría de discos protoplanetarios también tendrían líneas de nieve del monóxido de carbón, así pues en cada uno de esos discos podría haber grandes cantidades de materia para formar planetas del tipo de los gigantes helados, podría ser que si tenemos todas estas lianas de CO por todas partes, que este fuera el proceso dominante de la formación de planetas en otros sistemas solares. Así que por ello es tan importante entender la formación de neutros gigantes helados, y por lo tanto la de nuestro Sistema Solar. 

El verde as emisión de una molécula que revela la localización del monóxido de carbón en un sistema solar joven.
Credito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

URANO:

La composición atmosférica por volumen de Urano es la siguiente, 82,5% hidrogeno molecular, 15,2% de helio y un 2,3 % de metano. Urano tiene la atmosfera planetaria más fría nuestros planetas, con temperaturas de 49K (-224.2⁰C) interesantemente Neptuno mucho más lejos radia hasta 2.61 veces más energía de la que recibe del Sol de vuelta al espacio. Por el contrario, Urano a duras penas radia algo. En cuanto a esta situación, una teoría subraya que le planeta pudo ser golpeado por un ‘impactador supermasivo’ en una epoca temprana, pero otra explicacion sugiere que hay una especie de barrera dentro de las complejas capas de la atmosfera de Urano, y que eveita que le calor del nucelo alcance la superficie. 

Cuando Voyager 2 sobrevoló nuestro séptimo planeta, no había muchas características que ver, de hecho, solo podían contarse diez nubes en total, parecía estar sin rasgos distintivos y más o menos aburrido, desde la Tierra es muy difícil resolver a no ser que lo sobrevoláramos, sin embargo, con los telescopios de vanguardia como el Observatorio Keck en Hawái o el Telescopio Espacial Hubble la situación se ha mejorado en los tiempos recientes y ahora hemos podido detectar más características en Urano, y que han resultado ser una consecuencia de las estaciones. En el momento que la Voyager 2 se encontraba en el planeta, este, estaba orientado hacia el Sol porque estaba inclinado casi 90 grados y solo podíamos ver la mitad de este, además la atmosfera estaba muerta en lo que se refiere a su actividad. Más tarde en 2007 el planeta estaba ladeado al Sol y su disco por completo se iluminaba haciendo que la atmosfera se activase, lo cual ha demostrado ahora que tiene una atmosfera bastante dinámica y que los cambios ocurren rápidamente allí. 

Neptuno visto por el Hubble. Crédito de la imagen Hubble

Una característica que se observó, el "Berg", llamada así porque la tormenta se asemejaba a un iceberg, desapareció en 2009, esta se desarrolló después del sobrevuelo de la nave espacial de la NASA Voyager en 1986, la cual se tornó muy brillante en 2004 y comenzó a moverse hacia el ecuador del planeta en 2005, tras lo que una tormenta muy parecida a esta se avisto en 2014 por el Keck la cual era mucho más brillante que el "Berg". 

La vista cambiante de Urano observado por el Telescopio Keck.

Urano tiene una inclinación axial de 97,77⁰, por lo que su eje de rotación esta aproximadamente paralelo al plano del Sistema Solar, la tierra posee un dipolo magnético con un momento más o menos centrado en el centro de nuestro planeta y que esta creado por el núcleo de la Tierra pero cuando la Voyager voló sobre Urano detectó su campo magnético que resulto ser muy extraño, el planeta estaba acostado de lado y el dipolo en vez de estar rotado con al rotación del planeta estaba inclinado 59 ᵒ 

Antes de la llegada del Voyager 2 no había ninguna medición de la magnetosfera de Urano, por lo que su naturaleza era un misterio, los científicos habían esperado un campo magnético en line con el viento solar, porque así estaría alineado con el polo de Urano y que se encuentra en la eclíptica, pero no lo estaba, y no solamente eso, además el centro de dipolo estaba descentrado, se había movido del centro de Urano hacia la región de rotación del polo sur tanto como un tercio del radio del planeta, por ello se pensó en la idea de una colisión masiva, aunque se están estudiando nuevas teorías. 

La inclinación de Urano y Neptuno comparado con la Tierra. Crédito: Chaisson and Steve McMillan.

Uno de los descubrimientos recientes más interesantes es que Urano tiene un anillo extremadamente azul y que fue detectado por le Hubble, el único otro planeta que lo posee es Saturno y se asocia con la luna Encélado, en Urano este es asociado a la luna Mab. Todos los planetas gigantes tienen anillos, pero son rojizos en color porque estos están compuestos por particular mayores que reflejan la luz roja, e incluso las partículas en sí podrían ser rojizas, posiblemente debido al hierro.

Anillo azul de Urano. Crédito Science Magazine.

NEPTUNO:

En cuanto a Neptuno, pues tres años y siete meses después del encuentro con Urano, en 1989, la nave espacial Voyager 2 alcanzó este mundo azul, y como se vería luego resulto tener una atmosfera mucho vibrante, además se revelaría una tormenta bautizada como la Gran Mancha Oscura de Neptuno la cual hizo recordar a los científicos a la colosal tormenta roja en Júpiter. Mucho más impresionante fue la medición de sus vientos, a la increíble velocidad de 2.000 kilómetros por hora, lo que los convierte en los vientos medidos más rápidos en el sistema solar, la meteorología de Neptuno está caracterizada por huracanes extremadamente violentos. 

la Gran Mancha Oscura de Neptuno. NASA

Voyager también descubrió que el eje magnético de Neptuno también estaba inclinado en 47 ⁰ además de estar descentrado del planeta, por lo que quizás la inclinación sea algo que tenga que ver con los gigantes helados y no con una colisión como ha sido propuesto en el caso de Urano, de hecho, se cree que posiblemente el campo magnético se sea generado en el núcleo sino más bien en el manto, el cual alberga el material saldo y helado que envuelve a este. 

Neptuno como lo vio Voyager 2 en agosto de 1989.

También es muy interesante sobre Neptuno es su luna Tritón, la cual es el más grande de los satélites naturales del planeta, y que orbita al contrario y la razón de ello es que debe de ser un objeto capturado del Cinturón de Kuiper, un mundo que contiene criovolcanes, y que podrían estar aún activos, sin enviar una sonda espacial no lo podemos saber, sin embargo cuando esta luna es vista a través de una ocultación por parte de una estrella lejana, se puede medir su tenue atmosfera y detectar cambios en su temperatura, la cual parece estar aumentando. 

Foto mosaico de Tritón con imagines de Voyager 2. Crédito: NASA

El estudio de estos planetas con telescopios terrestres, no importa lo mucho que se hayan mejorado, o con el Hubble el cual tiene una fecha de caducidad en el futuro próximo y no estará en servicio, no parece que sea suficiente, aunque pronto será lanzado el nuevo Telescopio Espacial James Webb que mejorará esta situación, pero obviamente no hay nada como mandar una misión a nuestros gigantes helados. La NASA esta ya pensando en ello y la ESA la Agencia Espacial europea ha calificado una propuesta de misión a un gigante helado como alta prioridad, pero esto no tienen acceso a la energía nuclear que se necesita para viajar tan lejos del Sol, en donde los paneles solares son inútiles, como se demostró con la misión espacial New Horizon, la cual estaba alimentada por un Generador termoeléctrico de radioisótopos o (RTG) el cual es nuclear, habrá que ver como se desarrollan los acontecimientos en un futuro próximo.

Proyectado para 2018 el cohete Space Launch Rocket de la NASA podría ayudar a llegar al Sistema Solar Exterior. Crédito: NASA

Entender estos planetas también puede ayudar a entender porque nuestro Sistema Solar es tan perfecto para que la vida exista en este planeta número tres, nuestra Tierra, también otra de las grandes cuestiones que planteamos es que si Urano y Neptuno se formaron se formaron a más o menos la misma temperatura y más o menos tardaron el mismo tiempo en formarse uno podría esperar que fueran muy similares, como el que tuvieran la misma composición en términos generales incluso un sistema atmosférico parecido, pero las única similitud es el tiente azulado de sus atmosferas debido al metano, de hecho son planetas bastante dispares.

Lo más curioso, que a pesar de que Neptuno sea el planeta más alejado este es uno de los mundos más dinámicos de nuestro Sistema Solar y que tiene unos increíbles patrones atmosféricos con nubes que aparecen como grandes sistemas de cúmulos y en donde a uno le destrozarían los vientos y los jets, algo que puede suceder en cuestión de horas. Así pues, Neptuno nunca tiene la misma apariencia de una noche para otra, por el contrario, es una mundo aparentemente sereno y calmado, a pesar de sus diferencias en unidades astronómica 20 y 30 entre ambos planetas. Por lo general pensamos en el Sol como una fuente de energía en cuanto a la meteorología, así que ¿Por qué estando más alejado Neptuno del Sol de lo que esta Urano, el primero posee un sistema más dinámico? Esto es una contradicción. 

Cuando vemos los planetas gigantes en infrarrojo todos emiten radiación brillando en calor, sin embargo, Urano no emite mucha energía en forma de calor que se aprecie lo cual es otro rompecabezas, quizás toda esa energía este atrapada en su interior, y no puede salir a través de las diferentes capas de su atmosfera no pudiéndolo transmitir hacia fuera así que no lo vemos, o quizás esa energía no esté ahí, quizás debido a que se disipó y fue absorbida por una colisión distante en el pasado, así que hay muchas razones por las que volver y estudiar los.