La Singularidad Desnuda

Un universo impredecible de pensamientos y cavilaciones sobre ciencia, tecnología y otros conundros

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El enigma de Urano, o cómo la materia oscura podría explicar el calentamiento interno de los planetas gigantes

Posted by Carlos en agosto 22, 2008

Uranus

NASA, ESA, and M. Showalter (SETI Institute)

Urano, el tercer planeta en tamaño del sistema Solar, guarda en su interior uno de los enigmas a los que los científicos planetarios llevan dándole vueltas desde hace años. Cuando en 1986 se analizaron detenidamente los datos obtenidos de la observación del planeta en la banda de infrarrojos se comprobó que irradiaba una cantidad muy pequeña de calor interno, máxime en comparación con el resto de planetas del Sistema Solar exterior. Concretamente, si se calcula la relación entre el calor despedido por el planeta y el que recibe del Sol se obtiene un valor situado entre 1.00 y 1.14 (i.e., en el mejor caso Urano emite un 14% más de calor del que recibe del Sol), mientras que para el resto de gigantes (Júpiter, Saturno, Neptuno) la relación es siempre mayor que 1.7. Esto hace de Urano el planeta más frío del Sistema Solar, con temperaturas atmosféricas de hasta -224ºC.

Las causas por las que Urano es tan frío no acaban de estar claras. Su estructura interna es diferente de la de Júpiter y Saturno (gigantes gaseosos), pero similar a la de Neptuno, con el que comparte la denominación de gigante de hielo. De hecho, aproximadamente un 80% de la masa del planeta es roca y hielo. Para ser precisos, Urano tiene un pequeño núcleo rocoso rodeado de un manto de agua, metano y amoniaco en fase fluida debido a la combinación de presión y temperatura. Por encima, una atmósfera de hidrógeno, helio, y partes menores de agua, metano y amoniaco, que se va mezclando gradualmente con el manto líquido. La única -o la principal- característica distintiva de Urano frente a sus planetas hermanos es la extrema inclinación de su eje de rotación (98º), que prácticamente sitúa a los polos del planeta en el plano orbital. Esta inusual inclinación se atribuye a un colosal impacto en el pasado, y bien pudo tener otros efectos de carácter profundo en el planeta, incluyendo la desactivación de la producción interna de calor. Para ver por qué pudo suceder esto, es necesario ver algunas de las hipótesis planteadas en torno al calentamiento interno de los planetas gigantes.

Indudablemente hay un componente gravitatorio en este flujo de calor, pero ése no es el fin de la historia. Así, se ha propuesto que la interacción con materia oscura puede jugar un papel fundamental. Del mismo modo que hay un halo de materia oscura asociado a la galaxia, cuerpos de menor tamaño (estrellas y planetas) pueden interactuar localmente con nubes de materia oscura. Algunos modelos de materia oscura sugieren que ésta puede auto-aniquilarse, lo cual podría ayudar a solventar las dificultades que los modelos de materia oscura fría presentan en relación con la estructura a pequeña escala de las galaxias. Un análisis de este tipo lo realizan por ejemplo Matthew W. Craig y Marc Davis en un trabajo titulado

publicado en New Astronomy (preprint disponible aquí). Aunque no exento de problemas (e.g., hay que justificar que la materia oscura no se auto-aniquilara completamente en el Universo joven, y hacer compatibles los productos de la aniquilación con las observaciones del fondo de rayos gamma), un modelo de este tipo podría explicar fenómenos como el bajo número de satélites de materia oscura de la Vía Láctea. A una escala de tamaño menor, la energía de la aniquilación de materia oscura capturada por un planeta podría efectivamente contribuir al calentamiento planetario. De ser así, el caso particular de Urano proporcionaría restricciones en relación a las características de la materia oscura en el halo galáctico. Esta consideración ha sido precisamente analizada por Saibal Mitra en un trabajo titulado

publicado en Physical Review D. Los números no terminan de cuadrar sin embargo, y en el caso de la Tierra hay una discrepancia en el flujo de calor de dos órdenes de magnitud en relación con lo que la acreción con perfecta eficiencia de materia oscura del halo galáctico indicaría. Una alternativa es la planteada por Stephen L. Adler en un artículo titulado

que está disponible desde hace dos días en ArXiv. En este paper Adler considera el caso de que la materia oscura no se auto-aniquile, lo que favorecería una mayor interacción con la materia bariónica ordinaria. La densidad máxima de la materia oscura ligada gravitatoriamente al Sol es de 105 (GeV/c2)/cm3, y una nube de tal densidad bastaría para explicar los flujos de calor en los planetas jovianos. En el caso particular de Urano, Adler aventura que el impacto que inclinó su eje de rotación tuvo el efecto de dispersar la nube de materia oscura que lo rodeaba (sería un efecto similar al observado en el Cúmulo Bala), con lo que privaría al planeta de su fuente de calentamiento interno.

Es una hipótesis interesante, y que también podría tener implicaciones en relación con el calentamiento de los exoplanetas del tipo “Júpiter caliente”, pero depende de la naturaleza de la materia oscura, por lo que habrá que esperar a que se tenga más información en relación a la misma para determinar si sigue siendo factible.

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Agua detectada en la atmósfera de planetas extrasolares

Posted by Carlos en abril 11, 2007

HD 209458b transitEl agua es esencial para la vida tal como la conocemos, por lo que no es extraño que la búsqueda de la misma en otros lugares del Universo aparte de la Tierra sea del máximo interés desde el punto de vista de la exobiología. Hay que recordar en este sentido el interés que despertó el hecho de que se descubriera evidencia de que en la superficie de Marte fluyó agua líquida en algún momento reciente (y que quizás haya hielo en cuevas subterráneas), o las continuas especulaciones sobre la existencia de océanos bajo el hielo en Europa, el satélite de Júpiter. De hecho, otra especulación frecuente era que en la atmósfera de los planetas gigantes extrasolares podría encontrarse vapor de agua, y digo “era” porque ya se ha encontrado la primera evidencia de vapor de agua en uno de estos planetas. El descubridor ha sido Travis S. Barman, del Lowell Observatory, cuyo hallazgo ha sido aceptado para su publicación en Astrophysical Journal Letters. El título del trabajo es

y en él analiza datos que fueron conseguidos el año pasado por el Hubble. Concretamente, ha utilizado una herramienta denominada espectroscopía de tránsito para estudiar el limbo -la región de transición entre la cara iluminada y la oscura- del planeta HD209458b (informalmente conocido como Osiris). Cuando este planeta orbita en torno a su estrella madre pasa entre ella y la Tierra cada 3.5 días. Cuando un tránsito de este tipo sucede, se producen opacidades en la luz que nos llega de la estrella y que dependen de la longitud de onda. Observando el planeta en diferentes frecuencias su radio resulta ser ligeramente diferente debido a este efecto. Combinando estos datos con modelos teóricos de la atmósfera de estos planetas en los que el agua es abundante y hay una gran absorción en la banda correspondiente, se ha obtenido una gran corcondancia con los datos observados.

Hay que resaltar que HD209458b es un “Júpiter caliente”, con temperaturas atmósféricas que pueden rondar los 1130K, por lo que el descubrimiento no parece relevante en relación a la posible existencia de vida (siempre del tipo que conocemos) en él. No obstante, sí ayuda a corroborar que el agua puede ser abundante en este tipo de planetas, lo que seria interesante en planetas con otras características orbitales.

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Vientos hipersónicos de 15,000 km/h detectados en planetas extrasolares

Posted by Carlos en enero 10, 2007

An artist’s conception shows a gas-giant planet orbiting very close to its parent star - NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)Hace un par de meses nos asombrábamos del gigantesco vórtice que la sonda Cassini había descubierto en Saturno. La velocidad del viento en él superaba los 500 km/h, lo que suponía más del doble que un huracán de categoría 5 en la escala de Saffir-Simpson. Esto nos llevaba a especular sobre cómo podía ser la vida en un entorno con tales vendavales. Pues bien, estos vientos que nos parecían atroces no son más que suavísimas brisas en comparación con los tremendos giga-huracanes que azotan a algunos planetas extrasolares. En un trabajo titulado:

realizado por N.B. Cowan, E. Agol (ambos de la Universidad de Washington) y D. Charbonneau (del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), y que ha sido presentado ayer día 9 en la reunión de la American Astronomical Society, se ha estudiado el espectro infrarojo de tres planetas extrasolares: 51 Peg b (a 50 años-luz de la Tierra), HD179949b (a 100 años-luz), y HD209458b (a 147 años-luz). Tomando medidas de dicho espectro en diferentes posiciones de la órbita de estos planetas se perseguía detectar las variaciones de temperatura entre la cara que da al sol, y la cara oculta (debido a la gran proximidad de estos planetas a la estrella correspondiente, se hallan en estado de bloqueo gravitatorio, mostrando siempre la misma cara al sol, como ocurre con la Luna en relación a la Tierra). El resultado es el siguiente: no se aprecian diferencias significativas de temperatura, lo que indica que los movimientos de convección en la atmósfera redistribuyen el calor de manera bastante efectiva. La sorprendente implicación de este resultado es que los vientos en estos planetas deben rugir a velocidades hipersónicas: unos 15,000 km/h, equivalente a Mach 12 en la Tierra.

Weather on Distant Worlds - NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

Pulsando en la figura superior se podrá acceder a una animación de uno de estos sistemas planetarios (disponible en diferentes formatos y tamaños), en la que el brillo indica mayor temperatura. Recomiendo una vez más leer el relato de Robert Sheckley titulado A Wind is Rising, y luego hacer mentalmente la transformación de escala entre los vientos descritos en dicho relato, y estos recién descubiertos.

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