Título: Sobre las tasas de rotación terminal de los planetas gigantes (pdf)
Autor: Konstantin Batygin (a quien entrevistamos el pasado mes de mayo)
Institución del primer autor: Instituto Tecnológico de California
Estado: Aceptado en AJ
¡Buena suerte para dormir en Júpiter! Este gigantesco gigante gaseoso gira más rápido que cualquier otro planeta del Sistema Solar, ¡completando un día en menos de 10 horas! Si emigraras de la Tierra al mayor planeta de nuestro sistema solar y aún así pretendieras dormir las 8 horas diarias recomendadas para los adultos, te quedarían menos de dos horas al día para comer, hacer ejercicio y estudiar astrofísica. No es tiempo suficiente. Sin embargo, los futuros habitantes de las ciudades nubosas de Júpiter no deberían quejarse.
Cuando Júpiter se formó, acumuló su atmósfera (¡más del 95% de la masa total del planeta!) a partir del gas de hidrógeno y helio del disco protoplanetario que rodea a nuestro Sol. A medida que Júpiter consumía esta masa de gas, debió de empezar a girar más rápido al consumir también el momento angular del gas. Finalmente, alcanzaría la velocidad de ruptura, que se define como el punto en el que las capas superiores de la atmósfera giran tan rápido como lo haría un objeto si se colocara en órbita alrededor del planeta cerca de la superficie. A estas velocidades, Júpiter no podría girar más rápido. Ingenuamente, cabría esperar que Júpiter siguiera girando a esa velocidad en la actualidad. Sin embargo, si calculamos el período de rotación de Júpiter basándonos en su velocidad de ruptura, obtenemos que un día joviano no debería durar ni siquiera 3 horas!
En realidad, los habitantes de Júpiter deberían estar agradecidos de que algo haya sido capaz de ralentizar la rotación del planeta lo suficiente como para poder ver las cuatro primeras películas de Harry Potter en un día en lugar de sólo una de ellas. Pero, ¿qué?
Hace tiempo que sabemos que Saturno también gira mucho más despacio que su velocidad de ruptura (11 horas frente a 4 horas). Y como resumió Eckhart en su astrobite de diciembre, ahora sabemos que los exoplanetas gigantes gaseosos también giran más lentamente de lo esperado. En el artículo de hoy, Konstantin Batygin intenta resolver este extenso enigma con la solución que más se espera: El campo magnético de Júpiter.
Copiando la respuesta
Júpiter y Saturno no son los únicos objetos del Sistema Solar sujetos a este misterio. Cuando el Sol se formó, también acrecionó gas de hidrógeno del disco que lo rodeaba. En consecuencia, es lógico esperar que el Sol gire aún más rápido que Júpiter. Sin embargo, un día solar dura casi un mes, lo que deja al Sol con sólo un 1% del momento angular del Sistema Solar, ¡a pesar de que tiene más del 99% de la masa!
Una forma de que el Sol, o cualquier objeto, pierda momento angular es arrojando parte de su material. La principal explicación de por qué las estrellas como el Sol giran de esta manera se llama frenado magnético. En este proceso, el viento solar arrastra material fuera de la superficie al igual que lo hace hoy. Entonces, parte de ese material queda atrapado en las líneas del campo magnético del Sol, que lo expulsa aún más fuera del Sol, llevándose una parte importante del momento angular del Sol. Para conservar el momento angular, el Sol tendrá que reducir su velocidad de rotación. ¿Pueden los planetas gigantes gaseosos hacer esto también?
La copia no funciona
Júpiter no es exactamente lo mismo que una estrella. No tiene viento solar, por lo que no puede arrojar material sin más. Sin embargo, investigaciones recientes sobre cómo los gigantes gaseosos acumulan sus atmósferas pueden ofrecer una idea alternativa.
Aunque solíamos suponer que Júpiter acumulaba gas directamente en su ecuador, las simulaciones modernas muestran que en realidad debería haber recogido gas por encima de su «polo norte» (y por debajo de su «polo sur»). Como muestra la figura 1, no todo el material es consumido por Júpiter. Una parte es desviada hacia el exterior en un disco alrededor de Júpiter, llamado disco circunplanetario. A continuación, el disco vierte ese material de nuevo en el disco más grande que rodea a la estrella, el disco protoplanetario del que procede. Esto compensa el hecho de que Júpiter no tenga viento solar y le da una forma de arrojar material y momento angular.
Figura 1. Diagrama conceptual del frenado magnético para un planeta del tamaño de Júpiter en crecimiento. {A} El planeta puede acumular gas de hidrógeno en su atmósfera directamente desde el disco protoplanetario azul alrededor de la estrella (¡no el disco alrededor del planeta!). Este gas sigue las flechas de flujo meridional hacia el «polo norte» del planeta. {B} El resto del hidrógeno se desvía hacia el disco naranja que rodea al planeta. El planeta también puede acumular algo más de gas de este disco naranja (concretamente, las capas superior e inferior). Sin embargo, la mayor parte del disco naranja (las capas intermedias) se derramará hacia el exterior, siguiendo las flechas blancas a través de la región roja, llevándolo de vuelta al disco azul alrededor de la estrella donde comenzó. El hecho de que el gas sea expulsado por completo del disco alrededor del planeta hace posible que éste sufra un frenado magnético. Fig. 2 del artículo (por James Keane).
Girando más despacio (debido al frenado magnético), luego más rápido (debido a la contracción gravitatoria)
La figura 2 muestra la evolución del periodo de rotación de Júpiter (es decir, la duración de su día) después de formarse, con y sin frenado magnético. En ambos modelos, Batygin supone que Júpiter comienza con el doble de radio antes de que la gravedad le haga contraerse hasta su tamaño actual en aproximadamente 1 Myr. También supone que el planeta comienza a girar a la velocidad de ruptura (unas 8 horas).
Sin ninguna ralentización, Júpiter simplemente se acelera a medida que el planeta se contrae para conservar el momento angular. Pero con el frenado magnético, Júpiter primero gira hasta un periodo de rotación de 36 horas en unos 25.000 años. Luego, la contracción gravitacional lo hace girar de nuevo hasta un período de rotación de 9 horas cuando alcanza su radio actual, ¡muy cerca de su período de rotación actual de 9 horas y 56 minutos!
Figura 2. Periodo de rotación de Júpiter en los primeros 2 Myr tras su formación. Sin frenado magnético (dorado), gira a la velocidad de ruptura, que se acelera a medida que el planeta reduce su tamaño. Con el frenado magnético (azul), Júpiter gira primero hacia abajo, dejándolo con el período de rotación correcto para cuando se contrae a su tamaño actual. Fig. 3 del artículo.
Ahora que el modelo de este artículo ha demostrado que el frenado magnético puede conducir a una velocidad de giro aproximadamente correcta para Júpiter (y también para Saturno), Batygin espera que los trabajos futuros exploren aspectos más meticulosos del problema relacionados con la magnetohidrodinámica (MHD), tanto con un enfoque analítico (como con las ecuaciones de este artículo) como con simulaciones (que no se utilizaron directamente en este modelo).
Los astrofísicos que viven en Júpiter o en exoplanetas gigantes de gas en otros sistemas estelares tendrán mucho más tiempo al día para investigar este problema. Y puede que tengan que agradecer tanto los campos magnéticos como la forma en que estos planetas acrecentaron sus atmósferas.
- Sobre el autor
Sobre Michael Hammer
Soy estudiante de posgrado en la Universidad de Arizona, donde trabajo con Kaitlin Kratter en la simulación de planetas, vórtices y otros fenómenos en discos protoplanetarios. Soy de Queens, NYC; pero no soy el Hombre Araña…