¿Y si Neptuno fuese en realidad un gigante de roca en vez de un gigante de hielo?

Por Daniel Marín, el 26 julio, 2020. Categoría(s): Astronomía • Sistema Solar ✎ 120

A Urano y Neptuno se les suele denominar «gigantes de hielo» para enfatizar que su composición química y estructura interior es muy diferente del caso de Júpiter y Saturno. Hasta hace poco, a los cuatro planetas gigantes del sistema solar se les denominaba conjuntamente «gigantes gaseosos», pero ahora esta expresión se tiende a usar solo con Júpiter y Saturno, resaltando así que ambos planetas están formados por hidrógeno y helio principalmente (en realidad, el nombre no es correcto porque la mayor parte del hidrógeno y helio de Júpiter y Saturno está en estado líquido o metálico, así que lo ideal sería denominarlos «gigantes líquidos», aunque me temo que el término puede generar más confusión que otra cosa). En cualquier caso, Urano y Neptuno son muy distintos y, además de hidrógeno y helio, deben contener gran cantidad de roca y otros volátiles como agua, amoniaco, nitrógeno, metano o dióxido de carbono. A las temperaturas del sistema solar exterior, estos volátiles están en forma sólida, de ahí el apodo de «gigantes de hielo», a pesar de que no está nada claro que en el interior de estos mundos estos compuestos estén en forma de hielos. Ahora bien, ¿estamos seguros de que Urano y Neptuno son realmente gigantes de hielo? En realidad, no. De hecho, es tan poco lo que sabemos sobre estos planetas que Neptuno podría tener una estructura muy distinta a la de su hermano Urano y ser realmente un gigante de roca rodeado por una densa atmósfera.

Urano (izquierda) y Neptuno vistos por el telescopio espacial Hubble en 2019. Se aprecia una mancha oscura en Neptuno (la cuarta desde que la Voyager 2 vio una grande y otra pequeña en 1989) y la sorprendente capa de nubes brillantes tormentosas que cubre el polo norte de Urano (NASA, ESA, A. Simon (NASA Goddard Space Flight Center), and M.H. Wong and A. Hsu (University of California, Berkeley)).

La hipótesis de Neptuno como gigante rocoso rodeado de una densa atmósfera ha sido propuesta recientemente por el investigador Nick Teanby como un caso extremo para demostrar lo poco que conocemos sobre estos planetas, porque, por sorprendente que pueda parecer, se ajusta a los datos experimentales que disponemos hoy en día. Pero, ¿qué sabemos exactamente del interior estos mundos? Aunque su tamaño es muy similar —unos cincuenta mil kilómetros de diámetro—, Neptuno es ligeramente más pequeño y más masivo —17,5 masas terrestres frente a las 14,5 de Urano—, por lo que su densidad media es bastante más alta (1,64 toneladas por metro cúbico en vez de las 1,27 toneladas por metro cúbico de Urano). Además, Urano emite más o menos la misma energía que recibe del Sol, pero Neptuno tiene un interior más activo y radia 2,6 veces la energía que le llega de nuestra estrella. Aunque Neptuno está mucho más lejos, estos datos indican que el interior de este mundo podría ser bastante diferente del de su «hermano gemelo». Otra diferencia muy famosa es la enorme inclinación del eje de rotación de Urano, que afecta dramáticamente a las estaciones del planeta.

Modelo tradicional, y probablemente incorrecto, del interior de Neptuno (NASA).
Otros posibles modelos del interior de Urano y Neptuno (NASA/ESA).

En cuanto a similitudes, ambos mundos tienen una atmósfera y densa exterior rica en hidrógeno y helio que constituye entre el 10 % y el 20 % de su masa total. Los otros compuestos presentes en la atmósfera —amoniaco, hidrogenosulfuro de amonio, agua, etc.— forman capas de nubes a gran profundidad, pero no las vemos por culpa del metano, que absorbe la luz roja y da a la atmósfera de Urano su característico color azul turquesa (además del metano, Neptuno tiene otro compuesto no identificado en su atmósfera que provoca su color azul oscuro). Solo cuando aparecen tormentas se pueden ver nubes altas de color blanco, probablemente compuestas de ácido sulfhídrico (hasta hace unos años se pensaba que eran de amoniaco, como en Júpiter y Saturno). Pese a lo que puedas leer en la mayoría de libros de divulgación, no conocemos el periodo de rotación de los dos planetas con exactitud —se estima en 17,24 horas para Urano y 16,11 para Neptuno—, por lo que tampoco conocemos con precisión la velocidad relativa de los fuertes vientos que azotan sus atmósferas. Precisamente, estos vientos parece ser que se extienden hasta, al menos, los mil kilómetros de profundidad (con respecto al periodo de rotación, algo similar ocurría en Saturno, que hasta hace poco no se pudo determinar su periodo gracias a la fase final de la misión de la sonda Cassini, aunque en este caso la dificultad se debía a la coincidencia entre el eje magnético y el de rotación; para el que le interese, el periodo de rotación del gigante anillado es de 10 horas y 33 minutos, casi doce minutos menos de lo calculado con anterioridad).

Reconstrucción de la magnetosfera de Urano y Neptuno según los datos de la Voyager 2 (NASA).
Posible composición de un gigante de hielo (NASA).

Sabiendo esto, ¿cómo es la estructura interna de estos planetas? Los modelos tradicionales nos presentan una atmósfera rica en hidrógeno y helio que da paso a un «manto» de hielos —de agua, metano, amoniaco, nitrógeno, monóxido de carbono, etc.— que rodean un núcleo de roca y metales con una masa de 1,2 veces la de la Tierra aproximadamente. No obstante, nada nos indica que esta imagen idealizada sea cierta. Recordemos que la sonda Juno nos ha enseñado que los modelos internos de Júpiter estaban totalmente equivocados y que el planeta gigante posee en realidad un «núcleo borroso» en vez de uno definido. Y eso pese a que se suponía que Júpiter tenía un interior más «sencillo» de modelar. Se desconoce hasta qué punto las atmósferas de Urano y Neptuno están vinculadas con el interior planetario, lo que nos impide afinar nuestros modelos. Sabemos que el campo magnético de los gigantes de hielo está muy descentrado, probablemente porque se origina en el «manto» rico sustancias iónicas disueltas en agua, pero los sobrevuelos de la Voyager 2 fueron demasiado breves como para reconstruir en detalle la magnetosfera, que bien podría tener una compleja estructura multipolar. Por tanto, existen muchos modelos del interior de los dos planetas que satisfacen los datos experimentales. Y, lo que es peor, Urano y Neptuno podrían ser muy diferentes por dentro pese a tener un exterior similar. Los modelos más recientes recogen el guante de los datos de Juno e incluyen gradientes suaves de composición. Es decir, en vez de capas definidas, estaríamos hablando de fronteras difusas con corrientes de convección entre las diferentes estructuras del interior. La naturaleza exacta de estos gradientes dependerá a su vez de cómo se formaron los gigantes de hielo, algo que tampoco tenemos muy claro. ¿Y puede haber lluvias de diamantes en el interior de estos mundos como señalan algunos modelos? Por supuesto… de hecho, nuestro desconocimiento es tan grande que hasta podría haber unicornios (bueno, no, pero ya saben lo que quiero decir).

Algunos modelos teóricos de densidades del interior de Urano y Neptuno (Helled et al.).
Perfiles empíricos de densidad de Urano y Neptuno que se ajustan a los datos experimentales. Son posibles interiores con una gran cantidad de roca, especialmente en Neptuno (Helled et al.).

Por lo que sabemos, el interior de ambos planetas se puede explicar con un perfil en el que la roca domina sobre los hielos. Y, puesto que conocemos mejor el campo gravitatorio de Urano que el de su hermano, esto significa que Neptuno bien podría ser un gigante de roca. O sea, un mundo compuesto principalmente por silicatos y metales, aunque con una proporción alta de hielos (¿mezclados con la roca?) y rodeado por una densa atmósfera de hidrógeno y helio. ¿Y por qué es importante esta discusión? Primero, porque si queremos entender cómo se formó el sistema solar, debemos saber cómo se crearon Urano y Neptuno (suponemos que nacieron mucho más cerca del Sol y que luego migraron al exterior; y hasta es posible que Neptuno «adelantase» a Urano en esta carrera). Segundo, porque el telescopio espacial Kepler ha demostrado que los planetas del tamaño de Urano y Neptuno son tremendamente frecuentes en nuestra galaxia. Y no puede ser que no tengamos ni idea de cómo han nacido y evolucionado la mayor parte de planetas de la Vía Láctea. Es por todo esto que resulta necesario enviar una misión a cada uno de estos planetas —a ser posible con una sonda atmosférica que mida in situ las proporciones de distintos isótopos, especialmente de gases nobles— para salir de dudas.

Urano (arriba) y Neptuno (abajo) (NASA/ESA/STScI/ESO).

Referencias:



120 Comentarios

    1. Muy bueno. Las antenas de espacio profundo son unos instrumentos que pueden aprovecharse más allá del seguimiento de satélites que pueda hacer CONAE. Argentina tiene una buena tradición en radioastronomia, SETI, estamos pendientes de la antena milimétrica del proyecto LLAMA …. y se necesitan pocos recursos para aprovechar parte de ese 10% del tiempo disponible por antena por la Argent para hacer buena ciencia.
      Yo pediría ayuda al NRAO y a los europeos del JIVE para poder hacer VLBI con la antena de Malargue. La línea de base norte sur con la red VLBA norteamericana sería brutal; y con Europa se aprovecharía algo menos pero también enriquecería nuestra red EVN. Ahora hay un español director del JIVE y tienen proyectos de colaboración y mejora de antenas con otros países, sería bueno un avance por ahí, con claros beneficios a nivel global.
      https://www.jive.eu//jumping-jive

  1. Buenas noticias desde Cabo Cañaberal, la 3ª nave que despega este mes rumbo a marte se encuentra sana y salva en su orbita de aparcamiento y a la espera de en unos 20/30 mins, realizar la TMI y poner rumbo a su destino, marte. Actualizare cuando eso suceda a la espera del post de daniel
    GO NASA, GO MARS, GO PERSEVERANCE

    1. Pues ya esta en ruta hacia su destino que alcanzara a finales de febrero.

      Esperemos que las 3 misiones sean un éxito y rompamos las estadísticas nefastas que acompañan a las misiones a marte.

  2. Sobre la nueva patente de RKK Energia para colocar personas en la luna de forma NO directa (sin el uso de grandes cohetes súper-pesados como el SLS o el Yenesei) queda en evidencia la limitación de los motores de cohetes químicos, los cuales requieren de grandes cantidades de combustible, en ese sentido este nuevo plan consiste en DIVIDIR la cantidad total de combustible en tres «puntos» de recargas (mediante tres módulos especiales) para poder lanzar una serie de bloques por separados usando cohetes más ligeros, concretamente el Angara-5V de 37 ton de capacidad en LEO, además dicho plan hace uso de la EEI como punto de recogida de la tripulación mediante el uso de un Soyuz-2.1, así como también de base operaciones de la nave de descenso y ascenso lunar reutilizable conocido como el «ascensor» lunar:

    https://patents.s3.yandex.net/RU2725007C1_20200629.pdf

    En la figura 3 vemos la secuencia de lanzamientos:

    Primer A5V: se lanza un módulo de aterrizaje lunar que servirá de primera estación de recarga de combustible, mediante un Angara-5V y una etapa superior KVTB.

    Segundo A5V: se lanza otra KVTB con un segundo módulo de recarga (esta vez es orbital-lunar), pero antes de iniciar su recorrido hacia la órbita lunar, primero se acopla con el ascensor para que gracias a la KVTB colocar todo el tren (es decir el bloque compuesto por el módulo de recarga orbital-lunar + el ascensor) en orbital lunar. Una vez en órbita lunar el ascensor se desacopla y aterriza justo donde aterrizo el módulo de recarga lunar que dejo el primer Angara en la superficie lunar y así recargar de combustible para el posterior ascenso a la órbita lunar, este sería el primer punto de recarga…

    Luego el ascensor se acoplaría con el módulo de recarga en órbita lunar (ver figura 4) y efectuaría el segundo punto de recarga, esta vez para iniciar la reinserción orbital terrestre en una órbita elíptica alta (HEO) de segunda velocidad cósmica V2…

    Por lo tanto hace falta “frenar” la V2 (ver figura 5) hasta reducir el apogeo de la HEO al punto de que coincida con el perigeo en una órbita LEO para acoplarse a la EEI y poder transferir la tripulación… para esta maniobra se usa un tercer módulo de recarga lanzado por el tercer A5V y consistiría en el tercer punto de recarga de combustible…
    Finalmente el tercer módulo de recarga además de frenar al ascensor sirve también para dejarlo lleno de combustible de manera que esté listo para la próxima misión…

    En la figura 1 podemos ver la propuesta que implica la pérdida del ascensor lunar (tanto del módulo de descenso como el de ascenso, lo cual implica que el ascensor NO sería reutilizable), así como también el uso de una Soyuz lunar para el retorno a tierra…

    En la figura 2 vemos una propuesta que implica la recuperación de la etapa de ascenso del ascensor pero que implicaría aero-frenado hasta rebotar en la atmosfera terrestre y estabilizarse en una órbita LEO para finalmente acoplarse con la EEI (particularmente esta propuesta me da mucho escalofrío…), así que me quedo con la versión reutilizable del ascensor…

    A mi pensar esta es una salida de cara a la primera misión de artemisa para colocar un hombre en la luna, es decir una opción que tienen los rusos para colocar bandera antes de artemisa, ya que el A5V debutara en 2025 y es probable que la misión de 2024 de artemisa se atrase…, de cualquier manera supone una opción antes de la llegada de la Oryol lunar y el Yenesei para el 2028 y la base lunar para 2030/35…

    Ya que estamos hablando de base lunar para 2035, una de las principales interesadas seria el gigante Rosatom, ya que permitiría desarrollar tecnologías “prohibidas” en la tierra como las que emanen radiactividad, un ejemplo seria la creación de un polígono de pruebas lunar para sustituir a Semipalatinsk (Kazajastan) y realizar las pruebas de banco de los motores RD-0410 y poder reanudar su desarrollo hasta la validación de los parámetros y certificación…

    Una vez validados podrían producirse en serie para una nueva familia de remolcadores nucleares para el espacio “no tan” profundo, es decir una especio de expresos desde la EEI para la luna o marte…y digo desde la estación espacial porque de ninguna manera operarían desde la superficie terrestre sino desde la luna, marte o la EEI por el tema de la radiactividad, es decir serían enviados a LEO en la cofia de un LV común y una vez en el espacio se activarían los sistemas de propulsión nuclear…

      1. Hola Carlos!

        Los planes siguen adelante, sin embargo todavía no se tiene la fecha exacta…

        Seria un A5, es decir ka versión básica de cinco URM-1 de primera etapa y un URM-2 de kerolox…

        Para el 2025 debutaría la versión 5V donde se sustituye el URM-2 por el 2V de hidrolox…

        Saludos!

          1. Hola Julio. Gracias por el enlace. No pensé que el traductor de google desde el ruso funcionara tan bien. Tenía prejuicios. ¿Este A5 podría sustituir a los cohetes Protón (por ejemplo para subir una Oriol) o todavía no?
            Saludos

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