El núcleo “borroso” de Júpiter o el misterio del interior de los planetas gigantes

El principal objetivo de la misión Juno de la NASA es determinar si Júpiter tiene un núcleo y, en caso afirmativo, cuáles son sus dimensiones. A primera vista nos puede parecer un hecho sin especial trascendencia, hasta que nos damos cuenta de que se trata de una afirmación cuanto menos extraña. ¿Cómo no va a tener núcleo un planeta? Los mundos del sistema solar han tenido 4.600 millones de años para experimentar una diferenciación drástica. Es decir, los elementos y compuestos pesados tienen que haberse hundido hasta al fondo, dejando tras de sí las sustancias menos densas. Por eso los planetas rocosos como la Tierra tienen un núcleo de elementos pesados como el hierro y el níquel. ¿Por qué iba a ser Júpiter diferente?

Júpiter visto por el telescopio Hubble en 2017 (NASA, ESA, A. Simon).
Júpiter visto por el telescopio Hubble en 2017 (NASA, ESA, A. Simon).

El planeta más grande del sistema solar está formado principalmente por hidrógeno y helio, los elementos más ligeros y abundantes del Universo. De tener un núcleo, el de Júpiter tendría una pequeña fracción de su masa. Y sin embargo su tamaño es crucial para entender la formación del planeta y, por extensión, la del sistema solar. La existencia de un núcleo en la Tierra es fácil de entender: nuestro planeta surgió a partir de la fusión de planetesimales de composición rocosa y metálica principalmente. Cuando la prototierra tuvo un tamaño adecuado, el calor resultado del choque entre objetos y de la desintegración de elementos radiactivos fundió el interior, permitiendo que los elementos más pesados se fueran al centro. Y asunto resuelto.

Este modelo es el que se conoce como acreción del núcleo y es el que tradicionalmente se ha invocado para explicar la formación del sistema solar. Según este modelo el núcleo de Júpiter, rico en metales, roca y hielos, se formaría primero y la creciente gravedad del mismo permitiría retener los elementos más volátiles como el hidrógeno y el helio en una fase posterior. El problema con la mayor parte de variaciones de este modelo es que Júpiter habría tardado demasiado en formarse, aunque el verdadero talón de Aquiles del modelo es cómo explicar la formación de planetas gigantes alrededor de estrellas de muy baja metalicidad (con pocos elementos pesados) o a distancias superiores a las 20 Unidades Astronómicas. Por eso hace varias décadas se propuso otro modelo alternativo denominado inestabilidad de disco. De acuerdo con esta teoría los planetas se formarían muy rápidamente a partir de zonas más densas del disco protoplanetario. Este modelo es el favorito para justificar la formación de Júpiter y de hecho es capaz de explicar la formación de gigantes gaseosos tanto pobres como ricos en metales, enanas marrones e incluso, en algunos casos, planetas rocosos. Por contra, su punto débil son los planetas de tipo gigante de hielo como Urano y Neptuno (que, sin embargo, explica muy bien el modelo de acreción del núcleo).

Modelo tradicional del interior de Júpiter. Con núcleo (Lunar and Planetary Institute).
Modelo tradicional del interior de Júpiter con núcleo (Lunar and Planetary Institute).

Ahora bien, ¿cómo saber qué pasos siguió Júpiter durante su formación? Pues la clave es el núcleo. Los planetas formados por inestabilidad de disco pueden tener núcleos en su interior, pero solo este modelo es capaz de explicar la ausencia de un núcleo de grandes dimensiones en el interior de Júpiter. Por supuesto, ambos modelos pueden ser complementarios. La inestabilidad de disco podría ser el mecanismo dominante durante los primeros cientos de miles de años de formación de un sistema planetario, mientras que la acreción del núcleo sería dominante durante los millones de años posteriores. La acreción del núcleo es la teoría que mejor se ajusta a todos los planetas del sistema solar, aunque por contra también es el modelo que sale peor parado a la hora de explicar la formación de algunos exoplanetas descubiertos durante los últimos años. Pero mucho cuidado, el hecho de que no haya un núcleo no implica necesariamente la victoria de la inestabilidad de disco: ciertos modelos recientes apelan al modelo de acreción del núcleo para explicar la formación de Júpiter, pero sugieren que mucho después el núcleo fuertemente diferenciado desaparecería por acción de corrientes convectivas y la erosión de la capa de hidrógeno metálico.

asa (http://www.ph.ed.ac.uk/).
Un modelo reciente para el interior de Júpiter y Saturno. Júpiter tendría núcleo borroso, pero Saturno sí tendría un núcleo definido (http://www.ph.ed.ac.uk/).

Entonces, ¿cómo podría ser el interior de Júpiter sin un núcleo definido? Además del núcleo, los modelos incorporan una ‘envoltura’ dividida en dos partes: la exterior, que incluye la atmósfera visible con gran abundancia de hidrógeno y helio, y la interior, también compuesta principalmente por hidrógeno y helio, pero con más elementos pesados. La separación entre estas dos partes de la envoltura se debe a que a cierta profundidad el hidrógeno líquido se convierte en metálico. Al mismo tiempo, el helio se vuelve insoluble en el hidrógeno metálico, por lo que ‘llueve’ precipitándose hacia el interior (también se ha propuesto una lluvia similar de neón en regiones más profundas). Con respecto al centro del planeta, conviene recordar que aunque los modelos de inestabilidad de disco permiten la ausencia de un núcleo denso en Júpiter y Saturno, en el caso de este último planeta se considera más probable que haya algún tipo de núcleo clásico definido. La sonda Cassini duranye su misión Grand Finale podrá ayudar a determinar si esta suposición es cierta o no.

asas
Zona de ‘lluvia de helio’ en Júpiter (Militzer et al.).
as
Preguntas sobre el interior de Júpiter (Lissauer et al.).

Si Júpiter tiene un ‘núcleo borroso’ estaríamos hablando de una región de composición relativamente homogénea en la que la proporción de elementos pesados aumentaría progresivamente a medida que nos movemos hacia el centro del planeta. Las sustancias más abundantes del núcleo —agua, dióxido de silicio, óxido de magnesio y hierro— son todas ellas solubles en hidrógeno metálico, permitiendo la ausencia de fronteras internas. Este núcleo poco definido de elementos pesados mezclados con hidrógeno y helio no sería necesariamente simple. Según el gradiente de composición podrían haber corrientes convectivas que se encargarían de crear capas adicionales. La sonda Galileo detectó proporciones de elementos pesados en la atmósfera de Júpiter tres veces superior a la media del sistema solar, con excepción del oxígeno. Este dato podría ser una indicación de que los elementos pesados están repartidos por todo el interior del planeta. O no, porque una complicación adicional que no hemos mencionado es que resulta muy difícil modelar una ecuación de estado para el interior de Júpiter, en cuyo centro se alcanzan presiones del orden de ochenta millones de atmósferas y temperaturas cercanas a los diez mil Kelvin.

Resumiendo, si la sonda Juno encuentra un núcleo en Júpiter sería todo un espaldarazo para el modelo de acreción del núcleo a pesar de los varapalos de los últimos años. Pero si no encuentra ninguno o su tamaño es muy reducido el modelo de inestabilidad de disco no debería cantar victoria, ya que originalmente pudo existir un núcleo que luego resultó disuelto. Ahora mismo no sabemos si Júpiter tiene o no un ‘núcleo borroso’, pero lo que sí está claro es que para entender el origen del sistema solar debemos entender cómo es el interior del gigante joviano.

Referencias:

  • https://arxiv.org/pdf/1704.01299.pdf
  • https://arxiv.org/pdf/1311.1142.pdf
  • https://arxiv.org/pdf/1703.09840.pdf
  • https://arxiv.org/pdf/1701.01719.pdf
  • https://arxiv.org/pdf/1608.02685.pdf
  • https://arxiv.org/pdf/1609.05460.pdf
  • http://www.lpi.usra.edu/books/PPV/8056.pdf

49 Comentarios

Participa Suscríbete

JuliánJulián

¡Gracias Dani, por tus muchos e interesantes artículos! especialmente, porque suelen ser de primera mano.
¿Sabes? Lo más sorprendente es que ahora pareces tener más energía y no menos.

AndreuAndreu

:-) , hay países donde c es s no todo el mundo es del mismo sitio. Mejor expresarse como uno sabe o puede que no hacerlo, verdad?

SeaSea

Seas de donde seas, en castellano la palabra es ASÍ. Pronunciada, como sea, pero escrita es ASÍ. Aquí y en China.

torombolotorombolo

Una cosa es como lo procuncies y otra como lo escribas

VAYA es siempre con Y (I griega), Con LL es cuando te refieres a una valla de separar campos, o jardines, etc.

ASI no es lo mismo que HACI (Esto ultimo causa grave cancer de ojos al leerlo.

Y entre “Publicaciones” y “Siegue” va, como minimo, un punto.

Me apuesto lo que querais a que al lado del colegio habia unos recreativos o unos billares…. 😉

torombolotorombolo

Se me olvidaba. No he puesto ninguna tilde, porque aun no se como va el teclado de la tablet. Sorry

TxemaryTxemary

Eh! ya vale de meterse con el, escribe como el culo, pero sabe de cohetes un montón… 😉

Y en el teclado de la tablet solo debes dejar pulsada la tecla un puco para que te aparezcan las opciones de la tilde.

amagoamago

me parece fascinante la formacion de los planetas! hace poco lei la teoria de “tidal downsizing”. que es de inestabilidad de disco, aunque creo que no la mas estudiada. considera que los planetas rocosos comenzaron como gigantes gaseosos que al migrar al interior del sistema solar sin estar aun compactados el sol les quitó la envolvente gaseosa. al principio me parecia absurda, pero al ir profundizando me parecio mucho mas creible y una propuesta muy seria.

NeofitoNeofito

por qué juno está diseñada oara descubrir el centro o no centro de jupiter y cassini, con todos los años que lleva, no lo sabe todavía?

TxemaryTxemary

Porque no eran esos sus objetivos, por lo que no lleva los instrumentos más adecuados ni estaba en las mejores órbitas para estudiar su interior, de hecho sus objetivos eran principalmente las lunas de Saturno y la alta atmósfera de este.

Saludos.

HilkHilk

Qué dices Txemary?
Con qué otra sonda estais confundiendo a Juno? Cassini tal vez?
Neofito, Juno lleva solo una o dos orbitas en torno a Jupiter, con sus instrumentos funcionando. No lleva “años”. Paciencia

TxemaryTxemary

Yo no estoy confundiendo nada Hilk, obviamente estoy hablando de Cassini, lee atentamente lo que ha escrito Neófito y lo que yo he escrito y verás que mi respuesta es sobre “por qué Cassini no ha no ha descubierto nada sobre su centro todavía”, que es la pregunta que lanza. De ahí mi respuesta.

nilonilo

Una preguntilla. Si encuentran un núcleo, del tamaño que sea, pero algo más o menos sólido a lo que llamar núcleo ¿cómo van a saber si ese núcleo estaba ahí desde la formación del planeta o es el resultado de todo lo que se haya ido tragando Júpiter una vez formado? Porque Júpiter debe ser un “almacen” importante de asteroides, cometas, planetoides, polvo y cualquier otra cosa que se le acerque lo suficiente como para caer en su gravedad.

ChemaChema

Es curioso que partiendo de una sopa más o menos homogénea se terminen formando planetas tan diferentes.

pochimaxpochimax

A lo mejor es que no partes de una sopa homogénea en absoluto… Estamos empezando apenas a conocer la composición de los discos protoplanetarios.

Gabriel DomínguezGabriel Domínguez

Teniendo en cuenta la masa, la composición y el campo magnético de Júpiter, su estructura interna, las propiedades del hidrógeno metálico, las corrientes convectivas internas, la interacción entre unas capas y otras… ¿alguien sabe si existe alguna teoría que considere la posibilidad de que el núcleo de Júpiter alcance, con el tiempo, una presión y temperatura tales que inicien la fusión del hidrógeno, y el gigante gaseoso se convierta en una estrella? ¿quizás por algún mecanismo interno similar al efecto invernadero, o similar al confinamiento magnético, o una combinación de ambos, que multiplicara la temperatura interna en un factor de 1000, hasta alcanzar los valores críticos?

amagoamago

La física que conocemos dice que no. Todo depende de la cantidad de masa. Júpiter no tiene suficiente masa para hacer reacciones nucleares creo que ni siquiera del deuterio. Es sólo la gravedad propia lo que hace compactarse al planeta. Los efectos que aumentan la temperatura interna lo hacen expandirse.

Otros lo sabrán mejor, pero creo que cuando son capaces de fusionar el deuterio hablamos de enanas marrones y creo recordar que hacían falta más de diez veces la masa de Júpiter para eso.

Gabriel DomínguezGabriel Domínguez

Sí… ya sé que, considerando solo la masa, Júpiter nunca dejará de ser un planeta. Yo me preguntaba si podría existir algún otro factor -no tenido en cuenta o desconocido hasta ahora- que pudiera multiplicar su temperatura interna.

amagoamago

pues no se me ocurre. la cosa esta en que, aunque las condiciones a las que esta la materia en el interior de jupiter sean muy extrañas y desconocidas, haciendo muy complicado reproducir jupiter en un modelo, afectan a otra escala, no a escala nuclear.

hidrogeno metalico, superconductividad, conveccion… nada tiene que ver con el nucleo sino con los electrones. la parte que afecta a las reacciones nucleares esta todavia muy lejos de esas condiciones. asi que, salvo que me corrija alguien cuyos conocimientos de fisica no sean de tebeo como los mios, yo diria que no hay que tener miedo de que se nos encienda otra estrella en el sistema solar 😛

Blue_HypergiantBlue_Hypergiant

La temperatura sólo es una parte, sin muchísima más presión tampoco haces nada, es más, si la temperatura subiera hasta el punto de empezar a generar fusión sin que nada la contrarreste, seguramente Júpiter “explotaría” como una nova planetaria.

JavierJavier

La wikipedia dice que serían necesarias unas 80 masas de Júpiter para encender el núcleo. Y la gravedad es la única forma de hacerlo.

MillerMiller

Puede la colisión del Cometa Shoemaker-Levy 9 con Jupiter en 1994 dar una pista sobre el tamaño del núcleo? Es decir una colisión con un núcleo grande debe ser muy diferente a una colisión con un núcleo pequeño. Lo mismo debería ser correcto para al menos tener una pista sobre la densidad del núcleo.

amagoamago

Yo diría que no. No sé qué profundidad alcanzó en la atmósfera de Júpiter, pero se hace tan densa rápidamente y entra a tanta velocidad debido al pozo gravitatorio de Júpiter que se desintegrará muy rápido. Además que observándolo desde la Tierra tampoco creo que se pueda sacar datos con mucha precisión.

espaidualespaidual

creo que las ondas de choque fueron demasiado sobreamortiguadas como para sacar nada de información más allá del ‘cráter’ que dejaron en las capas altas de la atmósfera.

OFF-TOPIC Sin ánimo de ‘spamear’. IOP ha sacado un e-book gratuito sobre los mayores hallazgos de la misión Cassini: http://iopscience.iop.org/book/978-1-6817-4497-1

JavierJavier

La New Horizons comenzó a enviar imágenes enseguida, durante y después del sobrevuelo de Plutón. De la Juno he visto dos fotografías de los polos de Júpiter, otra de una aurora, otra que tiene peor calidad que la tomada por un aficionado desde la Tierra y poco más. Apenas se han visto datos en la Red sobre Júpiter enviados por Juno. La mayoría son dibujos o composiciones de una fotografía tomada por el Hubble con otra de la sonda superpuesta. ¿A qué se debe esto?

Blue_HypergiantBlue_Hypergiant

¿Estás de broma? Incluso este blog se llena de imágenes enviadas por la sonda cada vez que hace una aproximación al planeta desde que llegó. Sin contar, como ya han indicado, la propia web de la misión con decenas de imágenes sobre la misión.

Kapitán KirkKapitán Kirk

Las teorías se complementan perfectamente, incluída la pronunciada por ‘amago’ para explicar los planetas rocosos. También el modelo de Niza cumple las expectativas aunque en mi opinión no explica el cinturon de asteroides más allé de Marte, siendo Júpiter un planeta tan voraz y tan protector al mismo tiempo, una especie de proto-estrella fallida como se cita más arriba. (2010 Odisea Dos… jeje)

La sensación es que todas son ciertas en un gran porcentaje, y falta que quizás Juno acierte y concrete más datos en una teoría definitiva, incluyendo también una explicación al enorme campo magnético que debería ofrecer pistas. Pero claro, tampoco es que sepamos demasiado acerca del magnetismo de la Tierra y Mercurio -o su falta en Venus y Marte- y quedemos a espensas de capas internas de metal líquido, como certifican las ondas lineales y transversales producidas en terremotos.

En todo caso parece que estamos más cerca, de ahí la importancia de este tipo de misiones, JunoCam incluída. :-)

Salu2

amagoamago

no tengo nada claro que se complementen. en un principio pensaba que una explicaba unos planetas y otra los otros… pero en concreto “tidal downsizing” parece pretender que no hay “core accretion”… aunque si habla de “pebble accretion” hmmm… no se… ojala algun dia Daniel escriba aclarando estas teoriqs porque el se explica mucho mejor que los papers de arxiv.org!

Kapitán KirkKapitán Kirk

Por eso es tan difícil encontrar la Gran Teoría Unificada; al final todas las hipótesis pueden tener su parte de verdad sin entrar en contradicción entre ellas, y sin embargo resulta complejo dar un paso hacia atrás para ver la respuesta final en perpectiva. La sonda Juno puede ayudar en ese cometido sino se fríe antes, esperemos que no, que ya tiene bastantes problemas.

Yo apuesto a que Júpiter tiene un núcleo sólido con gran cantidad de elementos pesados, me lo dice la lógica, y quizás rodeado del famoso hidrógeno metálico, y me parece divertida la idea de lluvias de Helio. Hoy en día existen aparatos que alcanzan presiones similares al interior de Júpiter (en youtube hay algún video) así que estoy seguro que tienen una idea aproximada de lo que la sonda Juno pueda ofrecer.

Salu2

Alberto de Bs AsAlberto de Bs As

…Tan fascinantes como las piernas de la oficial Nyota Uhura, que amenizaban tan bien con toda esa lógica….

torombolotorombolo

Para piernas (y resto de anatomia) las de las esclavas de Orion….

:-)

Antonio (AKA "Un físico")Antonio (AKA "Un físico")

Lo que da rabia con Daniel es que publica artículos buenísimos a un ritmo tan rápido que a uno no le da tiempo a asimilarlos bien (yo soy de los que se leen hasta algunas referencias de algunas de sus referencias). Éste de Júpiter me lo voy a marcar y ya lo leeré cuando tenga tiempo.
Daniel, ojalá publiques un libro sobre los sistemas solares conocidos. Sería un lujo. Y el trabajo prácticamente ya lo tienes hecho.

Santiago BaleaSantiago Balea

Ola, habrá que esperar entonces que Juno nos ayude, hay que confiar que completará su misión. Es casi una labor detectivesca ir quitándole todas las capas a Júpiter y llegar a saber qué tiene “dentro”…

Hernán MeierHernán Meier

Buenas, quizás alguien puede responder mi duda, la imagen que yo tengo es que como el hidrógeno metálico es el material con materia no degenerada más denso que existe se iría hasta el fondo conformando el núcleo y los elementos más pesados menos densos flotarían sobre este núcleo.
Pero acá se indica que los elementos más pesado están por debajo del hidrógeno metálico , ¿cómo es esto posible? ¿hay materiales más densos que el hidrógeno metálico? ¿se disuelven? ¿como se saben los comportamientos reales si creo esos estados a tan altas presiones no se han podido alcanzar todavía en laboratorios? Gracias

AntonioAntonio

“la imagen que yo tengo es que como el hidrógeno metálico es el material con materia no degenerada más denso que existe”

Pues necesitas gafas, porque formas imágenes bastante mal.

Hernán MeierHernán Meier

Buenas, Antonio ¿Que imagen tienes tu? ¿cual sería el material que mayor densidad podría alcanzar? Es cierto que los elementos pesados tienen más nucleones en en el núcleo pero también tienen mayor cantidad de protones y fuerza repulsiva, así que no se que termina ganando si la presión o la repulsión de los protones. Gracias ojala que conteste alguien que sepa.

AntonioAntonio

Una búsqueda en Google de menos de 5 minutos me ha dicho que el hidrógeno metálico es menos denso que el agua.

Hernán MeierHernán Meier

Antonio, con tu respuesta descubriste tu ignorancia y tu alma de troll.
Igual, me motivaste a buscar un poco más, lo que encontré es que siguen sin existir experimentos definitivos.
Si hay alguien que sepa un poco más me sigue interesando la respuesta.

Kapitán KirkKapitán Kirk

Cuando se habla de Hidrógeno metálico se dice principalmente por un estado de presión tan grande que aumenta su conductividad, electromagnetismo etc… Pero por muy denso que se encuentre no se me ocurre ninguna razón para que sea el elemento más pesado del Universo. El Uranio tiene 92 protones y más neutrones aún según sea el isótopo 235, 236, 238… y ni el deuterio ni el tritio se pueden comparar con semejante densidad.

Hay experimentos, como he comentado, donde se han alcanzado presiones similares al interior de Júpiter y eso es lo que Juno pretende confirmar: su interior. Nunca se manda una sonda a la ligera sin saber más o menos lo que puede demostrar, siempre con sorpresas claro, pero muy bien definidas y estudiadas.

Salu2

Responde a Paco

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

Cancelar