Francis en #rosavientos: Plutón desvelado por la sonda New Horizons

Por Francisco R. Villatoro, el 3 abril, 2016. Categoría(s): Astronomía • Ciencia • Eureka (La Rosa de los Vientos) • Noticias • Recomendación • Science ✎ 2

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Ya está disponible el audio del podcast de Eureka, mi sección en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción, unos enlaces y algunas imágenes.

Los datos del sobrevuelo de la sonda New Horizons de la NASA sobre el planeta enano Plutón muestran una gran variedad de paisajes. Cordilleras montañosas, glaciales que transportan bloques de hielo, criovolcanes e, incluso, placas tectónicas. Muchos de estos fenómenos tienen un origen reciente, los últimos cien millones de años. Una superficie con gran variedad de colores y composiciones químicas mucho más compleja de lo que nunca imaginamos. Más aún, la atmósfera de Plutón parece tener ciclos climáticos, incluyendo la presencia de lagos y ríos de nitrógeno líquido en la superficie. os consideran que la complejidad de Plutón requerirá que la investigación continúe para entender su composición geológica. Poco a poco se van desvelando los secretos de un mundo misterioso.

Menciono resultados de múltiples artículos científicos, como S. A. Stern, F. Bagenal, […] E. Zirnstein, “The Pluto system: Initial results from its exploration by New Horizons,” Science 350: 292, aad1815 (16 Oct 2015), doi: 10.1126/science.aad1815arXiv:1510.07704 [astro-ph.EP]; Eric Hand, “Late harvest from Pluto reveals a complex world,” Science 350: 260-261 (16 Oct 2015), doi: 10.1126/science.350.6258.260; Jeffrey M. Moore, William B. McKinnon, […] Don E. Wilhelms, “The geology of Pluto and Charon through the eyes of New Horizons,” Science 351: 1284-1293 (18 Mar 2016), doi: 10.1126/science.aad7055; G. Randall Gladstone, S. Alan Stern, […] Leonard Tyler, “The atmosphere of Pluto as observed by New Horizons,” Science 351: aad8866 (18 Mar 2016), doi: 10.1126/science.aad8866; H. A. Weaver, M. W. Buie, […] A. M. Zangari, “The small satellites of Pluto as observed by New Horizons,” Science 351: aae0030 (18 Mar 2016), doi: 10.1126/science.aae0030; F. Bagenal, M. Horányi, […] L. A. Young, “Pluto’s interaction with its space environment: Solar wind, energetic particles, and dust,” Science 351: aad9045 (18 Mar 2016), doi: 10.1126/science.aad9045; W. M. Grundy, R. P. Binzel, […] L. A. Young, “Surface compositions across Pluto and Charon,” Science 351: aad9189 (18 Mar 2016), doi: 10.1126/science.aad9189; entre otros.

Sobre Plutón, en español, la fuente más recomendable es Daniel Marín, “Plutón: la enorme complejidad de un planeta enano”, Eureka, 22 Mar 2016; “Los cambios climáticos de Plutón. O cuando el planeta enano tuvo ríos y lagos de nitrógeno,” Eureka, 26 Mar 2016; “El hielo de agua y la atmósfera de Plutón en el infrarrojo”, Eureka, 01 Feb 2016; “La extrema juventud de Sputnik Planum, Plutón”, Eureka, 14 Ene 2016; y mucho más. Gracias, Daniel, me ha ayudado mucho tu blog para preparar esta noticia.

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Parece que fue ayer cuando la sonda New Horizons de la NASA pasó por Plutón el 14 de julio de 2015. Todavía nos está enviando datos y fotografías, pero ya se han publicado varios artículos científicos. Uno de ellos afirma que Plutón pudo tener lagos y ríos de nitrógeno líquido que hoy en día están congelados. ¿Podría ocurrir en el futuro que volviera a correr nitrógeno líquido por la superficie del planeta enano? Las fotografías de Plutón obtenidas por la sonda New Horizons de la NASA muestran una gran variedad de características geológicas. En una de las fotografías se observa un curioso depósito de hielo de nitrógeno cuya forma recuerda mucho a un lago. Y en las zonas montañosas que rodean la planicie de Sputnik, que se encuentra en la parte oriental del famoso “corazón de Plutón” llamado región de Tombaugh, se ven valles parecidos a los valles fluviales; aquí en la Tierra los crea el flujo del agua, pero en Plutón el único responsable posible es el flujo del nitrógeno líquido. Ahora mismo la presión atmosférica en el planeta enano es de solo 0,01 milibares (la presión superficial en la Tierra es de 1013 mb). Esta presión es muy pequeña, pero suficiente para crear vientos y neblinas en el planeta enano. Pero ahora mismo su temperatura superficial está entre −236º C y −228º C. A esta temperatura, la presión atmosférica no permite la existencia de nitrógeno líquido. A pesar de ello, el ciclo climático de las estaciones en Plutón, durante su órbita de 248 años terrestres alrededor del Sol, presenta grandes variaciones de temperatura y de presión. Hay que recordar que las cuatro estaciones, primavera, verano, otoño e invierno, son resultado de la inclinación del eje de rotación de la Tierra, que es de 23,5º. El eje de Plutón está mucho más inclinado, unos 120º, y cambia entre 103º y 127º en ciclos de un millón y medio de años. Además, la excentricidad de la órbita de Plutón es enorme. Entre el punto más cercano al Sol (perihelio) y el más lejano (afelio) hay una diferencia similar a la distancia entre Saturno y el Sol. El ciclo de estaciones en Plutón es muy complicado, pero se cree que la presión superficial puede llegar en ciertos momentos a aumentar hasta entre 10 y 100 mb (entre 4 y 40 veces la presión superficial en Marte). Durante estos extremos la presión y temperatura en la superficie de Plutón están por encima del punto triple del nitrógeno, permitiendo la formación estable de lagos y ríos de nitrógeno líquido sobre el planeta enano. Por supuesto, se requieren más estudios para confirmar esta hipótesis sobre el flujo de nitrógeno líquido en Plutón.

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Se ha comparado a Plutón con Marte por su color rojizo anaranjado. ¿Cuál es la causa de este color en la superficie del planeta enano? La superficie de Marte tiene un color naranja rojizo porque su suelo contiene grandes cantidades de óxido de hierro y otros óxidos hidratados. El color de Plutón tiene un origen diferente. Ocurre algo parecido a lo que pasa en Titán, luna de Saturno, y Tritón, luna de Neptuno. La acción conjunta de los rayos ultravioletas del Sol y de los rayos cósmicos en la alta atmósfera crean una gran variedad de sustancias orgánicas a partir del metano y del nitrógeno. Estas sustancias ‘llueven’ de forma constante sobre la superficie del planeta enano. Reciben el nombre de tolinas y tienen un color marrón o rojizo. La sonda New Horizons no tiene instrumentos para determinar la composición exacta de estas tolinas, pero ha observado la presencia de hidrocarburos como el etano, el etileno (o eteno) y el acetileno (o etino). La composición detallada de la superficie de Plutón es muy compleja. Hay zonas geológicamente muy jóvenes, como la espectacular planicie Sputnik, con una edad inferior a diez millones de años; esta planicie está formada por hielo de nitrógeno que fluyen con una viscosidad similar a la de la pasta de dientes, pero también presenta zonas con hielos de metano y de monóxido de carbono. Pero también hay zonas geológicamente muy viejas, con numerosos cráteres, que sugieren una edad de varios miles de millones de años. En los bordes de los cráteres y las cotas más altas de algunas cordilleras montañosas de hielo de agua se observa hielo de metano, el menos volátil de los tres, en forma de ‘nieve de metano’ o escarcha. El planeta presenta gran variedad de paisajes. Por ejemplo, la zona más oscura en el casquete del polo norte, la región de Cthulhu. Aún no somos de explicar su naturaleza, ya que conocemos bastante poco sobre las propiedades de las mezclas de hielos de nitrógeno, metano y dióxido de carbono que observamos. Se requiere investigación básica en laboratorio para desentrañar el misterio. El mapa geomorfológico de Plutón es mucho más complicado de lo que nunca pudimos imaginar.

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Hay dos cordilleras montañosas llamadas Wright Mons, de 150 kilómetros de diámetro y 4 kilómetros de altura y, Piccard Mons, de 6 kilómetros de altura, que se parecen mucho a criovolcanes. ¿Existe criovulcanismo activo en Plutón? No lo sabemos aún. Estas dos cordilleras montañosas se parecen mucho a criovolcanes, aunque por su altura deben estar formados principalmente por hielo de agua. El criovolcanismo podría estar asociado a la juventud de la planicie Sputnik, que no presenta ningún cráter de impacto, ni siquiera en las imágenes de mayor resolución enviadas por la cámara LORRI de la sonda New Horizons. La densidad de cráteres se usa para datar los cuerpos del sistema solar. La planicie Sputnik tiene que tener una edad inferior a diez millones de años. Una hipótesis para explicar esta extrema juventud son los procesos de criovulcanismo. En dicho caso, el nitrógeno que forma esta planicie brotaría parcial o totalmente derretido a través de grietas u orificios provenientes de una reserva interna. Para que haya nitrógeno líquido en el interior del planeta se necesita una temperatura de 63 K (−210º C). Para ello se necesita que la diferencia de temperatura entre la superficie y la base de la corteza, que está a diez kilómetros de profundidad, de unos 25 K. Ahora mismo se estima que es de 20 K. Además, un flujo de nitrógeno de un metro cúbico al año puede borrar todos los cráteres superficiales en la planicie de Sputnik. Esta hipótesis del criovulcanismo está apoyada por unas estructuras que recubren la planicie Sputnik que tienen toda la pinta de ser células de convección con entre 10 y 25 kilómetros de ancho. Como el agua hirviendo en una cacerola se mueve en círculos puesta al fuego, los flujos de nitrógeno borrarían todo rastro de los cráteres superficiales. Por supuesto, esta hipótesis requiere una fuente de calor interna. Bien podría ser el resultado de una colisión pasada contra un cuerpo del Cinturón de Kuiper con un diámetro de unos cien metros. De hecho, la planicie Sputnik es una cuenca, su elevación está entre tres y cuatro kilómetros por debajo del radio medio de Plutón. En esta cuenca con una superficie de 870 000 kilómetros cuadrados se observan glaciares de hielo de nitrógeno que fluyen desde las regiones montañosas adyacentes hasta la planicie. La cuenca podría ser resultado de un impacto, pero para verificar esta hipótesis debemos conocer la distribución de tamaños de los objetos del Cinturón de Kuiper. Cuantos más objetos haya con un diámetro de unos cien metros más puntos a favor recibirá esta hipótesis del impacto y con ella la hipótesis del criovulcanismo.

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Plutón se parece mucho a un cometa y su núcleo está formada por hielo de agua. Se han observado montañas de hielo de agua, pero en la superficie del planeta la sonda New Horizons encontró hielo de nitrógeno, hielo de metano e hielo de monóxido de carbono. ¿Por qué el hielo de agua es tan escaso en la superficie? La composición de la superficie del planeta ha sido determinada por el espectrómetro LEISA (Linear Etalon Imaging Spectral Array) de la cámara Ralph de la sonda New Horizons. Los primeros datos encontraron muy poco hielo de agua en la superficie porque la huella espectral del agua se confunde fácilmente con la del metano. Ha habido que esperar al envío de los datos de alta resolución del espectrómetro para comprobar que el hielo de agua es más abundante en la superficie de lo que indicaban los primeros datos de LEISA que llegaron a la Tierra. Muchas regiones que se pensaba que estaban cubiertas de hielo de metano en realidad son de hielo de agua. La única región que está libre de hielo de agua en superficie es la planicie de Sputnik, formada por hielo de nitrógeno y, en menor medida, monóxido de carbono. El hielo de agua de las montañas icebergs que flotan en esta región no se puede detectar con la resolución del espectrómetro LEISA. Las cadenas montañosas que rodean la planicie de Sputnik Planum deben estar compuestas por hielo de agua, ya que ningún otro hielo permite alcanzar alturas de hasta 3,4 kilómetros en los montes Norgay, y de hasta 1,6 kilómetros en los montes Hillary. El descubrimiento de la existencia de montañas en un objeto del cinturón de Kuiper ha sido una gran sorpresa de la misión y nadie sabe todavía a ciencia cierta cómo han podido formarse. Estas cordilleras están ancladas a la corteza de hielo de agua de Plutón, pero también se han observado montañas aisladas en el interior de la planicie de Sputnik. Se pensaba que podrían ser trozos de la corteza que asoman por encima de la capa de hielos superficial. Sin embargo, hay indicios de que estos picos aislados son icebergs de hielo de agua que flotan en hielo de nitrógeno, como cubitos en una bebida (el hielo de agua no flotaría en un glaciar de hielo de metano). Realmente es asombroso que haya icebergs flotando y moviéndose en un cuenca de hielo de nitrógeno en este planeta enano.

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Hemos hablado de la superficie del planeta, pero también se han realizado descubrimientos importantes en cuanto a su atmósfera. ¿Qué ha descubierto la sonda New Horizons sobre la atmósfera de Plutón? Antes del sobrevuelo de la sonda New Horizons se sabía que Plutón tenía atmósfera, pero su densidad era todo un misterio. Se pensaba que la presión superficial podía alcanzar 0,06 milibares y que la temperatura superficial podía oscilar de entre −235º C y −218º C. Ahora sabemos la presión superficial es mucho más baja, de solo 0,01 milibares, y la superficie es algo más fría, oscilando entre −236º C y −228º C. Por ello la atmósfera pierde menos partículas hacia el espacio de lo esperado, aunque presenta vientos y neblinas en la superficie. Lo más sorprendente es que la presión atmosférica puede aumentar y disminuir siguiendo los ciclos climáticos del planeta enano durante su órbita de 248 años alrededor del Sol. Ahora se encuentra cerca de un mínimo, pero como ya hemos dicho puede subir por encima de la presión atmosférica de Marte entre 4 y 40 veces, lo que permitiría lagos y ríos de nitrógeno líquido en la superficie. Todavía a día de hoy podrían existir pequeñas reservas de nitrógeno líquido bajo la superficie. Una de las mayores sorpresas de la misión han sido las numerosas capas de neblinas que se han observado hasta una altura de unos doscientos kilómetros. Las principales capas se encuentran a alturas de 10, 30, 90 y 190 kilómetros, aunque se han identificado hasta veinte capas distintas de entre 1 y 4 kilómetros de espesor cada una. Estas capas se forman por efecto de ondas atmosféricas (ondas de gravedad) creadas por los vientos plutonianos al soplar sobre las montañas. Realmente la atmósfera de Plutón es mucho más complicada de lo que nunca esperamos para un planeta enano.

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La sonda New Horizons de la NASA ha observado también los demás cuerpos del sistema de Plutón. ¿Qué sabemos sobre Caronte, la mayor luna de Plutón? La sonda New Horizons ha confirmado que no tiene atmósfera y que su superficie está formada por hielo de agua con trazas de amoniaco. En su paisaje destaca la mancha rojiza del polo norte, conocida como Mordor Macula. Su color se debe a tolinas, sustancias orgánicas complejas creadas a partir de hielo de metano, pero no está nada claro cómo ha llegado ese metano a la superficie de Caronte. El amoniaco en la superficie también es un misterio. No se sabe si son resultado del algún proceso interno o bien debidos a la transferencia desde Plutón. Por otro lado Caronte presenta en su ecuador una red de cañones y fracturas que divide el planeta en dos hemisferios. Destacan los cañones Serenity Chasma, de 50 kilómetros de ancho y 5 km de profundidad, y los Mandjet Chasma, de 7 kilómetros de profundidad. El hemisferio sur de Caronte presenta menos cráteres que el hemisferio norte. Realmente hay muchos misterios asociados a la geomorfología de Caronte.

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Y hablando de Caronte, no debemos olvidar a las otras cuatro lunas del sistema Plutón-Caronte. ¿Qué ha descubierto la sonda New Horizons sobre estas otras cuatro lunas? Hay que destacar que las cuatro lunas más pequeñas orbitan alrededor del sistema binario formado por Plutón y Caronte, cuyo centro de masas está fuera del interior de Plutón. Las lunas más importantes son Nix e Hidra; las más pequeñas son Cerbero y Estigia. La New Horizons no descubrió ninguna luna adicional. Las cuatro pequeñas lunas poseen una rotación caótica, a diferencia de Caronte que muestra siempre la misma cara a Plutón. Además, sus ejes realizan un movimiento de precesión similar a una peonza mucho mayor de lo esperado. Se cree que esta rotación rotación caótica es debida a la interacción gravitatoria conjunto de Plutón y Caronte. No sabemos el origen de las lunas del sistema Plutón-Caronte, pero la hipótesis más popular es que pueden haberse formado como resultado de la colisión que dio origen a Caronte. Destaca que Hidra y Cerbero tienen forma de doble lóbulo, como si fueran lunas dobles formadas por la unión de dos o más pequeñas lunas anteriores.  Otra sorpresa durante el sobrevuelo es que el sistema de Plutón tiene muy poco polvo; el detector de polvo de la sonda New Horizons solo captó el choque de una partícula durante todo el sobrevuelo. Eso significa que el sistema de Plutón presenta una densidad de partículas similar al espacio vacío del sistema solar exterior. Realmente hay muchos misterios sobre el sistema de Plutón y sus lunas que aún deben ser resueltos. El sobrevuelo de la sonda New Horizons nos ha abierto los ojos hacia una región el sistema solar que teníamos olvidada, el cinturón de Kuiper. Una región mucho más rica en detalles de lo que nunca llegamos a soñar.

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2 Comentarios

    1. Carlos, se usa el término “electrones” en el mismo sentido en el que se usa en física del estado sólido, pera referirse a cuasipartículas (comportamiento colectivo) de electrones. No se trata de electrones individuales (partículas fundamentales libres). Lo correcto es hablar de “excitaciones” y de “excitaciones fraccionarias”; también se usa el término “espinones” y “espinones fraccionarios”. En cualquier caso, la regla de oro es “en física del estado sólido un “electrón” es un fenómeno colectivo formado por muchos electrones en interacción con muchos iones”.

      Por cierto, puedes leer el artículo de Nature Materials en arXiv: Proximate Kitaev Quantum Spin Liquid Behaviour in α-RuCl3.

      En mi blog puedes leer “Observado el efecto Hall cuántico fraccionario en grafeno”, LCMF 16 Nov 2009, donde puedes leer “se ha observado el efecto Hall cuántico fraccionario en grafeno, por el que los electrones se comportan como si tuvieran carga fraccionaria, como cuasipartículas que fueran “trozos” de electrones.”

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