Urano y Neptuno: dos mundos diferentes

Urano y Neptuno

Urano y Neptuno: dos mundos diferentes

Sucedieron cosas extrañas en el Sistema Solar exterior cuando nació. Los gigantes de hielo, Urano y Neptuno, son los dos planetas principales más externos de la familia de nuestro Sol, y en tamaño, volumen, composición y gran distancia de nuestra estrella, son muy parecidos. Ambos mundos distantes son claramente diferentes del cuarteto de pequeños planetas interiores rocosos (Mercurio, Venus, Tierra y Marte), así como del dúo de planetas gigantes gaseosos, Júpiter y Saturno. Yo ce gigantesson planetas que contienen elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio, como oxígeno, carbono, nitrógeno y azufre. Aunque los dos planetas deberían ser gemelos casi idénticos, no lo son. En febrero de 2020, un equipo de científicos planetarios de la Universidad de Zúrich en Berna, Suiza, dijo a la prensa que creen haber descubierto el motivo.

"Hay ... diferencias notables entre los dos planetas que requieren explicación", comentó el Dr. Christian Reinhardt en un comunicado de prensa de PlanetS de febrero de 2020 . El Dr. Reinhardt estudió Urano y Neptuno con la Dra. Alice Chau, el Dr. Joachim Stadel y el Dr. Ravit Helled, todos miembros de PlanetS que trabajan en el Instituto de Ciencias Computacionales de la Universidad de Zurich .

El Dr. Stadel comentó en el mismo comunicado de prensa de PlanetS que una de las diferencias notables entre los dos planetas es que "Urano y sus satélites principales están inclinados unos 97 grados en el plano solar y el planeta rota efectivamente retrógrado con respecto al Sol".

Además, los sistemas de satélites del dúo distante son diferentes. Los principales satélites de Urano están en órbitas regulares e inclinados con el planeta, lo que sugiere que se formaron a partir de un disco, similar a la Luna de la Tierra. Por el contrario, Tritón, la luna más grande de Neptuno, está muy inclinada y, por lo tanto, se considera un objeto capturado. Tritón también muestra importantes similitudes con el distante planeta enano de hielo, Plutón, lo que sugiere que los dos pueden haber nacido en la misma región: el cinturón de Kuiper que está situado más allá de la órbita de Neptuno, y es el hogar gélido y débilmente iluminado de miles de personas. núcleos de cometas, pequeños planetas menores y otros cuerpos congelados. Los científicos planetarios predicen que en el futuro la órbita de Tritón decaerá hasta el punto de que se estrellará contra su planeta padre adoptivo.

Además de otras diferencias, Urano y Neptuno también pueden diferir con respecto a los flujos de calor y la estructura interna.

Gigantes de hielo

En astrofísica y ciencia planetaria, el término "hielos" se refiere a compuestos químicos volátiles que poseen puntos de congelación por encima de los 100 K. Estos compuestos incluyen agua, amoniaco y metano, con puntos de congelación de 273 K, 195 K y 91 K, respectivamente. En la década de 1990, los científicos se dieron cuenta por primera vez de que Urano y Neptuno son una clase distinta de planeta gigante, muy diferente de los otros dos habitantes gigantes de la familia de nuestro Sol, Júpiter y Saturno. Los compuestos constituyentes del dúo de gigantes de hieloeran sólidos cuando se incorporaron principalmente a los dos planetas durante su antigua formación, ya sea directamente en forma de hielo o encerrados en hielo de agua. Actualmente, muy poca agua de Urano y Neptuno permanece en forma de hielo. En cambio, el agua existe principalmente como fluido supercrítico a las temperaturas y presiones dentro de ellos.

La composición general del dúo de gigantes de hielo es solo alrededor del 20% de hidrógeno y helio en masa. Esto difiere significativamente de la composición de los dos gigantes gaseosos de nuestro Sistema Solar. Júpiter y Saturno tienen más del 90% de hidrógeno y helio en masa.

Modelar la historia de la formación de los planetas terrestres y gigantes de gas que habitan nuestro Sistema Solar es relativamente sencillo. Generalmente se cree que el cuarteto de planetas terrestres nació como resultado de colisiones y fusiones de planetesimales dentro del disco de acreción protoplanetario. El disco de acreción que rodeaba a nuestro Sol recién nacido estaba compuesto de gas y polvo, y las motas de polvo extremadamente finas poseían una "pegajosidad" natural. Las diminutas partículas de polvo chocaron entre sí y se fusionaron para formar cuerpos que gradualmente crecieron en tamaño, desde el tamaño de un guijarro hasta el tamaño de una roca, el tamaño de la luna y, en última instancia, el tamaño del planeta. Los planetesimales rocosos y metálicosdel Sistema Solar primordial sirvió como "semillas" de las que crecieron los planetas terrestres. Los asteroides son las reliquias persistentes de esta una vez abundante población de planetsimales rocosos y metálicos que finalmente se convirtieron en Mercurio, Venus, la Tierra y Marte.

En contraste, se cree que los dos planetas gigantes gaseosos de nuestro propio Sistema Solar, así como los gigantes gaseosos extrasolares que rodean estrellas más allá de nuestro Sol, evolucionaron después de la formación de núcleos sólidos que pesaban aproximadamente 10 veces el masa de la Tierra. Por lo tanto, los núcleos de gigantes gaseosos, como Júpiter y Saturno, se formaron como resultado del mismo proceso que produjo los planetas terrestres, al tiempo que acumulaban envolturas gaseosas pesadas de la nebulosa solar ambiental en el transcurso de unos pocos a varios millones de años. Sin embargo, existen modelos alternativos de formación de núcleos basados ​​en la acumulación de guijarros que se han propuesto más recientemente. Alternativamente, algunos de los exoplanetas gigantes pueden haber surgido como resultado de inestabilidades del disco de acreción gravitacional .

El nacimiento de Urano y Neptuno a través de un proceso similar de acreción del núcleo es mucho más complicado y problemático. La velocidad de escape de los pequeños protoplanetas primordiales (planetas bebés aún en formación) situados a unas 20 unidades astronómicas (UA) del centro de nuestro propio Sistema Solar habría sido comparable a sus velocidades relativas. Esos cuerpos que cruzan las órbitas de Júpiter o Saturno bien podrían haber sido enviados en trayectorias hiperbólicas que los dispararon aullando fuera de la familia de nuestro Sol por completo, y hacia la gélida oscuridad del espacio interestelar. Alternativamente, tales cuerpos, atrapados por el dúo de gigantes gaseosos, probablemente habrían sido acrecentados en Júpiter o Saturno, o arrojados a órbitas cometarias distantes más allá de Neptuno. Una AU es igual a la distancia promedio entre la Tierra y el Sol, que es de aproximadamente 93,000,000 millas.

Desde 2004, a pesar del modelo problemático de su formación, se han observado muchos candidatos a gigantes de hielo alienígenas orbitando estrellas distantes. Esto sugiere que pueden ser habitantes comunes de nuestra Vía Láctea.

Teniendo en cuenta los desafíos orbitales de los protoplanetas situados a 20 AU o más del centro de nuestro Sistema Solar, es probable que Urano y Neptuno nacieran entre las órbitas de Júpiter y Saturno, antes de ser gravitacionalmente dispersos en lugares más distantes, oscuros y dominios frígidos de la familia de nuestro Sol.

Dos mundos diferentes

"A menudo se asume que ambos planetas se formaron de manera similar", señaló la Dra. Alice Chau en el comunicado de prensa PlanetS de febrero de 2020 . Esto probablemente explicaría sus composiciones similares, las distancias orbitales medias de nuestro Sol y sus masas afines.

Pero, ¿cómo se explican sus diferencias?

Nuestro Sistema Solar primordial era una "galería de disparos cósmicos", donde los impactos de objetos que chocaban eran frecuentes, y lo mismo ocurre con los sistemas planetarios alienígenas más allá de nuestro Sol. Por esta razón, se propuso previamente un impacto gigante catastrófico como la fuente de las misteriosas diferencias entre Urano y Neptuno. Sin embargo, el trabajo anterior solo estudió los impactos en Urano o fue limitado debido a fuertes simplificaciones con respecto a los cálculos de impacto.

Por primera vez, el equipo de científicos planetarios de la Universidad de Zurich estudió una variedad de colisiones diferentes tanto en Urano como en Neptuno utilizando simulaciones por computadora de alta resolución. Comenzando con gigantes de hielo previos al impacto muy similares , demostraron que un impacto de un cuerpo con 1-3 veces la masa de la Tierra tanto en Urano como en Neptuno puede explicar las diferencias.

En el caso de Urano, una colisión rasante inclinaría el planeta pero no afectaría su interior. En dramático contraste, una colisión frontal en el pasado de Neptuno afectaría su interior, pero no formaría un disco. Esto es consistente con la ausencia de grandes lunas en órbitas regulares como se ve en Neptuno. Un choque tan catastrófico, que agitó el interior profundo del planeta traumatizado, también es sugerido por el mayor flujo de calor observado de Neptuno.

Las futuras misiones de la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) a Urano y Neptuno pueden proporcionar nuevas e importantes limitaciones en estos escenarios, mejorar nuestra comprensión de la formación del Sistema Solar y también proporcionar a los astrónomos una mejor comprensión de los exoplanetas en este rango de masas particular.

"Demostramos claramente que una vía de formación inicialmente similar a Urano y Neptuno puede resultar en la dicotomía observada en las propiedades de estos fascinantes planetas exteriores", comentó el Dr. Ravit Helled a la prensa en febrero de 2020.

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