Astronomía

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Describir los rasgos de los objetos centauros
  • Hacer una crónica del descubrimiento y describir la composición de la nube de Oort
  • Describir los objetos transneptunianos y del cinturón de Kuiper
  • Explicar el destino propuesto de los cometas que ingresan al sistema solar interior

Los cometas que notamos cuando se acercan a la Tierra (especialmente los que vienen por primera vez) son probablemente los objetos más primitivos que podemos estudiar, conservados sin cambios durante miles de millones de años en la congelación profunda del sistema solar exterior. Sin embargo, los astrónomos han descubierto muchos otros objetos que orbitan el Sol más allá de los planetas.

Centauros

Figura 1: Órbita de Quirón. Quirón orbita al Sol cada 50 años, con su aproximación más cercana dentro de la órbita de Saturno y su aproximación más lejana hacia la órbita de Urano.

En el sistema solar exterior, donde la mayoría de los objetos contienen grandes cantidades de hielo de agua, la distinción entre asteroides y cometas se rompe. Inicialmente, los astrónomos todavía usaban el nombre de «asteroides» para referirse a nuevos objetos descubiertos que giraban alrededor del Sol con órbitas que los llevaban mucho más allá de Júpiter. El primero de estos objetos es Quirón, encontrado en 1977 en un camino que lo lleva desde el interior de la órbita de Saturno en su aproximación más cercana al Sol hasta casi la distancia de Urano (Figura 1). Se estima que el diámetro de Quirón es de unos 200 kilómetros, mucho más grande que cualquier cometa conocido.

En 1992, un objeto aún más distante llamado Pholus fue descubierto con una órbita que lo toma a 33 UA del Sol, más allá de la órbita de Neptuno. Pholus tiene la superficie más roja de cualquier objeto en el sistema solar, lo que indica una composición superficial extraña (y aún desconocida). A medida que se descubren más objetos en estos lugares distantes, los astrónomos decidieron que se les darán los nombres de centauros de la mitología clásica; esto se debe a que los centauros eran mitad humanos, mitad caballos, y estos nuevos objetos muestran algunas de las propiedades tanto de asteroides como de cometas.

Más allá de la órbita de Neptuno se encuentra un reino frío y oscuro poblado por objetos llamados simplemente objetos transneptunianos (TNOs). El primero descubierto, y más conocido, de estos TNOs es el planeta enano Plutón. Hablamos de Plutón y el encuentro de la nave espacial New Horizons con él en Anillos, Lunas y Plutón. El segundo TNO fue descubierto en 1992, y ahora se conocen más de mil, la mayoría de ellos más pequeños que Plutón.

Los más grandes después de Plutón, llamados Eris, Makemake y Haumea, también se clasifican como planetas enanos. A excepción de su pequeño tamaño, los planetas enanos tienen muchas propiedades en común con los planetas más grandes. Plutón tiene cinco lunas, y se han descubierto dos lunas en órbita alrededor de Haumea y una en círculo alrededor de Eris y Makemake.

El Cinturón de Kuiper y la Nube de Oort

Los TNOs son parte de lo que se llama el cinturón de Kuiper, una gran área del espacio más allá de Neptuno que también es la fuente de muchos cometas. Los astrónomos estudian el cinturón de Kuiper de dos maneras. Nuevos telescopios más potentes nos permiten descubrir directamente muchos de los miembros más grandes del cinturón de Kuiper. También podemos medir la composición de los cometas que provienen del cinturón de Kuiper. Se han descubierto más de mil objetos del cinturón de Kuiper, y los astrónomos estiman que hay más de 100.000 con diámetros de más de 100 kilómetros, en un disco que se extiende a unas 50 UA del Sol.

Se cree que los cometas de corto período (como Halley) se originan en el cinturón de Kuiper, donde pequeñas perturbaciones gravitacionales de Neptuno pueden cambiar gradualmente sus órbitas hasta que pueden penetrar en el sistema solar interior. Los cometas de largo período, sin embargo, provienen de una reserva mucho más distante de objetos helados, llamada nube de Oort.

Figura 2: Jan Oort (1900-1992). Jan Oort sugirió en primer lugar que podría haber un reservorio de trozos congelados, núcleos potenciales de cometas, en el borde de la región de influencia gravitacional del Sol. (crédito: El Observatorio de Leiden)

Estudios cuidadosos de las órbitas de los cometas de largo período revelaron que provienen inicialmente de distancias muy grandes. Siguiendo sus órbitas hacia atrás, podemos calcular que los afelios (puntos más alejados del Sol) de los cometas recién descubiertos suelen tener valores cercanos a 50.000 UA (más de mil veces más lejos que Plutón). Este agrupamiento de distancias de afelio fue observado por primera vez por el astrónomo holandés Jan Oort, quien, en 1950, propuso una idea para el origen de esos cometas que todavía se acepta hoy en día (Figura 2).

Es posible calcular que la esfera de influencia gravitacional de una estrella—la distancia dentro de la cual puede ejercer suficiente gravitación para sostener objetos en órbita—es aproximadamente un tercio de su distancia a las otras estrellas más cercanas. Las estrellas cercanas al Sol están espaciadas de tal manera que la esfera de influencia del Sol se extiende un poco más allá de las 50.000 UA, o aproximadamente 1 año luz. Sin embargo, a distancias tan grandes, los objetos en órbita alrededor del Sol pueden ser perturbados por la gravedad de las estrellas que pasan. Algunos de los objetos perturbados pueden tomar órbitas que los acercan mucho más al Sol (mientras que otros pueden perderse para siempre en el sistema solar).

Oort sugirió, por lo tanto, que los nuevos cometas que estábamos viendo eran ejemplos de objetos que orbitaban alrededor del Sol cerca del borde de su esfera de influencia, cuyas órbitas habían sido perturbadas por estrellas cercanas, finalmente acercándolas al Sol donde podemos verlas. La reserva de antiguos objetos helados de los que se derivan estos cometas se llama ahora nube de Oort.

Los astrónomos estiman que hay alrededor de un billón (1012) de cometas en la nube de Oort. Además, estimamos que alrededor de 10 veces este número de objetos helados podrían estar orbitando el Sol en el volumen de espacio entre el cinturón de Kuiper (que está unido gravitacionalmente a Neptuno) y la nube de Oort. Estos objetos permanecen sin descubrir porque son demasiado débiles para ser vistos directamente y sus órbitas son demasiado estables para permitir que cualquiera de ellos se desvíe hacia adentro cerca del Sol. El número total de objetos helados o cometarios en los confines exteriores de nuestro sistema solar podría ser del orden de 10 billones (1013), un número muy grande de hecho.

¿Cuál es la masa representada por 1013 cometas? Podemos hacer una estimación si asumimos algo sobre el tamaño y las masas de los cometas. Supongamos que el núcleo del Cometa Halley es típico. Su volumen observado es de unos 600 km3. Si el componente primario es hielo de agua con una densidad de aproximadamente 1 g/cm3, entonces la masa total del núcleo de Halley debe ser de aproximadamente 6 × 1014 kilogramos. Esto es aproximadamente una diez mil millonésima parte (10-10) de la masa de la Tierra.

Si nuestra estimación es razonable y hay 1013 cometas con esta masa, su masa total sería igual a 1000 Tierras—comparable a la masa de todos los planetas juntos. Por lo tanto, el material cometa helado podría ser el componente más importante del sistema solar después del Sol mismo.

Evolución temprana del Sistema Planetario

Los cometas de la nube de Oort nos ayudan a tomar muestras de material que se formó muy lejos del Sol, mientras que los cometas de corto período del cinturón de Kuiper toman muestras de materiales que eran planetesimales en el disco de la nebulosa solar pero que no formaron planetas. Los estudios del cinturón de Kuiper también están influyendo en nuestra comprensión de la evolución temprana de nuestro sistema planetario.

Los objetos en la nube de Oort y el cinturón de Kuiper tienen historias diferentes, y por lo tanto pueden tener composiciones diferentes. Por lo tanto, los astrónomos están muy interesados en comparar mediciones detalladas de los cometas derivados de estas dos regiones de origen. La mayoría de los cometas brillantes que se han estudiado en el pasado (Halley, Hyakutake, Hale-Bopp) son cometas de la nube de Oort, pero el P67 y varios otros cometas apuntados para mediciones espaciales en la próxima década son cometas de la familia Júpiter del cinturón de Kuiper.

El cinturón de Kuiper está formado por planetesimales de hielo y roca, un remanente de los bloques de construcción de los planetas. Dado que está gravitacionalmente vinculado a Neptuno, puede ayudarnos a comprender la formación y la historia del sistema solar. A medida que se formaron los planetas gigantes, su gravedad influyó profundamente en las órbitas de los objetos del cinturón de Kuiper. Simulaciones por computadora de la evolución temprana del sistema planetario sugieren que las interacciones gravitacionales entre los planetas gigantes y los planetesimales restantes causaron que la órbita de Júpiter se desplazara hacia adentro, mientras que las órbitas de Saturno, Urano y Neptuno se expandieron, llevando consigo el cinturón de Kuiper.

Otra hipótesis implica un quinto planeta gigante que fue expulsado del sistema solar por completo a medida que las órbitas planetarias cambiaban. La luna retrógrada de Neptuno, Tritón (que es casi tan grande como Plutón), pudo haber sido un objeto del cinturón de Kuiper capturado por Neptuno durante el período de órbitas cambiantes. Parece claro que el cinturón de Kuiper puede llevar pistas importantes sobre la forma en que nuestro sistema solar alcanzó su configuración planetaria actual.

Caza de cometas como Hobby

Figura 3: David Levy. El astrónomo aficionado David Levy ocupa el tercer lugar en el mundo en descubrimientos de cometas. (crédito: Andrew Fraknoi)

Cuando el astrónomo aficionado David Levy (Figura 3), el co-descubridor del Cometa Shoemaker-Levy 9, encontró su primer cometa, ya había pasado 928 horas infructuosas buscando a través del oscuro cielo nocturno. Pero el descubrimiento del primer cometa solo le abrió el apetito. Desde entonces, ha encontrado a otros 8 por su cuenta y a otros 13 trabajando con otros. A pesar de este impresionante registro, ocupa el tercer lugar en los libros de registros por número de descubrimientos de cometas. Pero David espera romper el récord algún día.

En todo el mundo, observadores aficionados dedicados pasan incontables noches explorando el cielo en busca de nuevos cometas. La astronomía es uno de los pocos campos de la ciencia en los que los aficionados todavía pueden hacer una contribución significativa, y el descubrimiento de un cometa es una de las formas más emocionantes de establecer su lugar en la historia astronómica. Don Machholz, un aficionado de California (y cazador de cometas) que ha estado haciendo un estudio de descubrimientos de cometas, informó que entre 1975 y 1995, el 38% de todos los cometas descubiertos fueron encontrados por aficionados. Esos 20 años produjeron 67 cometas para aficionados, o casi 4 por año. Eso puede sonar bastante alentador para los nuevos cazadores de cometas, hasta que se enteren de que el promedio de horas que el aficionado típico pasó buscando un cometa antes de encontrarlo fue de aproximadamente 420. Claramente, esta no es una actividad para personalidades impacientes.

¿Qué hacen los cazadores de cometas si creen que han encontrado un nuevo cometa? Primero, deben verificar la ubicación del objeto en un atlas del cielo para asegurarse de que realmente es un cometa. Dado que el primer avistamiento de un cometa generalmente ocurre cuando todavía está lejos del Sol y antes de que tenga una cola significativa, se verá como solo una pequeña mancha borrosa. Y a través de la mayoría de los telescopios aficionados, también lo harán las nebulosas (nubes de gas y polvo cósmicos) y las galaxias (agrupaciones distantes de estrellas). A continuación, deben comprobar que no han encontrado un cometa que ya sea conocido, en cuyo caso, solo recibirán una palmadita en la espalda en lugar de fama y gloria. Luego deben volver a observarlo o reimaginarlo algún tiempo después para ver si su movimiento en el cielo es apropiado para cometas.

A menudo, los cazadores de cometas que piensan que han hecho un descubrimiento obtienen otro cazador de cometas en otro lugar del país para confirmarlo. Si todo se comprueba, el lugar que contactan es la Oficina Central de Telegramas Astronómicos en el Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en Cambridge, Massachusetts (http://www.cbat.eps.harvard.edu/). Si se confirma el descubrimiento, la oficina enviará las noticias a astrónomos y observatorios de todo el mundo. Una de las recompensas únicas de la caza de cometas es que el nombre del descubridor se asocia con el nuevo cometa, un poco de fama cósmica que pocos pasatiempos pueden igualar.

El destino de los cometas

Cualquier cometa que veamos hoy habrá pasado casi toda su existencia en la nube de Oort o en el cinturón de Kuiper a una temperatura cercana al cero absoluto. Pero una vez que un cometa entra en el sistema solar interior, su historia de vida sin incidentes comienza a acelerarse. Por supuesto, puede sobrevivir a su paso inicial cerca del Sol y regresar a los fríos confines del espacio donde pasó los 4,5 mil millones de años anteriores. En el otro extremo, puede chocar con el Sol o acercarse tanto que se destruye en su primer paso de perihelio (se han observado varias colisiones de este tipo con telescopios espaciales que monitorean el Sol). A veces, sin embargo, el nuevo cometa no se acerca tanto al Sol, sino que interactúa con uno o más planetas.

SOHO (el Observatorio Solar y Heliosférico) tiene una excelente colección de videos de cometas que se acercan al Sol. En este sitio, el cometa ISON se acerca al Sol y se cree que fue destruido en su paso.

Un cometa que entra dentro de la influencia gravitacional de un planeta tiene tres destinos posibles. Puede (1) impactar el planeta, terminando la historia a la vez; (2) acelerar y ser expulsado, dejando el sistema solar para siempre; o (3) ser perturbado en una órbita con un período más corto. En el último caso, su destino está sellado. Cada vez que se acerca al Sol, pierde parte de su material y también tiene una probabilidad significativa de colisión con un planeta. Una vez que el cometa está en este tipo de órbita de corto período, su vida comienza a medirse en miles, no miles de millones de años.

Algunos cometas terminan sus vidas catastróficamente al romperse (a veces sin razón aparente) (Figura 4). Especialmente espectacular fue el destino del débil Cometa Shoemaker-Levy 9, que se rompió en unas 20 piezas cuando pasó cerca de Júpiter en julio de 1992. Los fragmentos de Shoemaker-Levy fueron capturados en una órbita muy alargada de dos años alrededor de Júpiter, más del doble del número de lunas jovianas conocidas. Esto fue solo un enriquecimiento temporal de la familia de Júpiter, sin embargo, porque en julio de 1994, todos los fragmentos de cometa se estrellaron contra Júpiter, liberando energía equivalente a millones de megatones de TNT.

Figura 4: Ruptura del Cometa LINEAL. a) Una vista desde tierra con mucho menos detalle y b) una fotografía mucho más detallada con el Telescopio Espacial Hubble, que muestra los múltiples fragmentos del núcleo del Cometa LINEAL. El cometa se desintegró en julio de 2000 sin razón aparente. (Nota: en la vista de la izquierda, todos los fragmentos mezclan su luz y no se pueden distinguir. Las líneas blancas diagonales cortas son estrellas que se mueven en la imagen, lo que hace un seguimiento del cometa en movimiento.) (crédito a: modificación del trabajo de la Universidad de Hawai; crédito b: modificación del trabajo de la NASA, Harold Weaver (la Universidad Johns Hopkins) y el Equipo de Investigación Lineal de Cometas HST)

A medida que cada fragmento cometario entraba en la atmósfera joviana a una velocidad de 60 kilómetros por segundo, se desintegraba y explotaba, produciendo una bola de fuego caliente que transportaba el polvo del cometa y los gases atmosféricos a grandes altitudes. Estas bolas de fuego eran claramente visibles de perfil, con el punto de impacto real justo más allá del horizonte joviano visto desde la Tierra (Figura 5). A medida que cada penacho explosivo volvía a caer en Júpiter, una región de la atmósfera superior más grande que la Tierra se calentaba hasta la incandescencia y brillaba brillantemente durante unos 15 minutos, un resplandor que podíamos detectar con telescopios sensibles al infrarrojo.

Figura 5: Impacto de Cometa en Júpiter. (a) La «cadena» de objetos blancos son fragmentos del Cometa Shoemaker-Levy 9 que se aproxima a Júpiter. (b) El primer fragmento del cometa impacta en Júpiter, con el punto de contacto en la parte inferior izquierda de esta imagen. A la derecha está la luna de Júpiter, Io. El punto igualmente brillante en la imagen superior es el fragmento de cometa que brilla al máximo. La imagen de abajo, tomada unos 20 minutos después, muestra la llamarada persistente del impacto. La Gran Mancha Roja es visible cerca del centro de Júpiter. Estas imágenes infrarrojas fueron tomadas con un telescopio alemán-español en Calar Alto, en el sur de España. (crédito a: modificación del trabajo por la ESA; crédito b: modificación del trabajo de Tom Herbst, Max-Planck-Institut fuer Astronomie, Heidelberg, Doug Hamilton, Max-Planck-Institut fuer Kernphysik, Heidelberg, Hermann Boehnhardt, Universitaets-Sternewarte, Muenchen, y Jose Luis Ortiz Moreno, Instituto de Astrofísica de Andalucía, Granada)

Figura 6: Nube de Polvo de Impacto en Júpiter. El borde interior del anillo exterior difuso es aproximadamente del mismo tamaño que la Tierra. (crédito: modificación de obra por H. Hammel, MIT y NASA / ESA)

Después del impacto del Cometa Shoemaker-Levy 9 con Júpiter, nubes oscuras de escombros se asentaron en la estratosfera de Júpiter, produciendo «moretones» de larga vida (cada uno aún más grande que la Tierra) que se podían ver fácilmente incluso a través de pequeños telescopios.Estas características se vieron por primera vez con el Telescopio Espacial Hubble 105 minutos después del impacto que produjo los anillos oscuros que se ven en la Figura 6 (el punto trasero compacto proviene de otro fragmento). Más tarde, los vientos en Júpiter mezclaron estas características en un amplio punto que permaneció visible durante más de un mes.

Millones de personas de todo el mundo miraron a Júpiter a través de telescopios o siguieron el evento por televisión o en línea. Otra característica de impacto se vio en Júpiter en el verano de 2009, lo que indica que los eventos de 1994 no fueron únicos. Ver estas grandes explosiones de impacto en Júpiter nos ayuda a apreciar el desastre que le ocurriría a nuestro planeta si nos golpeara un cometa o asteroide.

Para cometas que no tienen un final tan dramático, las mediciones de la cantidad de gas y polvo en sus atmósferas nos permiten estimar las pérdidas totales durante una órbita. Las tasas de pérdida típicas son de hasta un millón de toneladas por día de un cometa activo cerca del Sol, sumando algunas decenas de millones de toneladas por órbita. A ese ritmo, un cometa típico desaparecerá después de unos pocos miles de órbitas. Este será probablemente el destino del Cometa Halley a largo plazo.

Este video de History Channel muestra una breve discusión y animación de la serie documental de televisión Universe, que muestra la colisión del Cometa Shoemaker-Levy 9 con Júpiter.

Conceptos clave y Resumen

Oort propuso en 1950 que los cometas de largo período se derivan de lo que ahora llamamos la nube de Oort, que rodea al Sol a aproximadamente 50.000 UA (cerca del límite de la esfera de influencia gravitacional del Sol) y contiene entre 1012 y 1013 cometas. Los cometas también provienen del cinturón de Kuiper, una región en forma de disco más allá de la órbita de Neptuno, que se extiende a 50 UA del Sol. Los cometas son cuerpos primitivos remanentes de la formación del sistema solar exterior. Una vez que un cometa es desviado hacia el sistema solar interior, normalmente no sobrevive más de unos pocos miles de pasajes de perihelio antes de perder todos sus volátiles. Algunos cometas mueren de muerte espectacular: Shoemaker-Levy 9, por ejemplo, se rompió en 20 pedazos antes de chocar con Júpiter en 1994.

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