11.2: Los planetas gigantes

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrás:

• Describir las características físicas básicas, la apariencia general y la rotación de los planetas gigantes
• Describir la composición y estructura de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno
• Compara y contrasta las fuentes de calor internas de los planetas gigantes
• Describir el descubrimiento y las características de los campos magnéticos de los planetas gigantes

Examinemos ahora con más detalle los cuatro planetas gigantes (o jovianos). Nuestro enfoque no es solo catalogar sus características, sino compararlas entre sí, señalando sus similitudes y diferencias e intentando relacionar sus propiedades con sus diferentes masas y distancias del Sol.

Características Básicas

Los planetas gigantes están muy lejos del Sol. Júpiter está más de cinco veces más lejos del Sol que la distancia de la Tierra (5 UA), y tarda poco menos de 12 años en rodear el Sol. Saturno está aproximadamente el doble de lejos que Júpiter (casi 10 UA) y tarda casi 30 años en completar una órbita. Urano orbita a las 19 UA con un periodo de 84 años, mientras que Neptuno, a las 30 UA, requiere 165 años por cada circuito del Sol. Estas largas escalas de tiempo nos dificultan a los humanos de corta duración estudiar el cambio estacional en los planetas exteriores.

Júpiter y Saturno tienen muchas similitudes en composición y estructura interna, aunque Júpiter es casi cuatro veces más masivo. Urano y Neptuno son más pequeños y difieren en composición y estructura interna de sus hermanos grandes. Algunas de las principales propiedades de estos cuatro planetas se resumen en la Tabla\(\PageIndex{1}\).

Tabla\(\PageIndex{1}\): Propiedades básicas de los planetas jovianos

Planeta	Distancia (AU)	Periodo (años)	Diámetro (km)	Masa (Tierra = 1)	Densidad (g/cm ^3)	Rotación (horas)
Júpiter	5.2	11.9	142,800	318	1.3	9.9
Saturno	9.5	29.5	120,540	95	0.7	10.7
Urano	19.2	84.1	51,200	14	1.3	17.2
Neptuno	30.0	164.8	49,500	17	1.6	16.1

Júpiter, el gigante entre los gigantes, tiene suficiente masa para hacer 318 Tierras. Su diámetro es aproximadamente 11 veces el de la Tierra (y aproximadamente una décima parte del del Sol). La densidad promedio de Júpiter es de 1.3 g/cm ³, mucho menor que la de cualquiera de los planetas terrestres. (Recordemos que el agua tiene una densidad de 1 g/cm ³.) El material de Júpiter se extiende sobre un volumen tan grande que alrededor de 1,300 Tierras podrían caber dentro de él.

La masa de Saturno es 95 veces la de la Tierra, y su densidad promedio es de sólo 0.7 g/cm ³ —la más baja de cualquier planeta. Dado que esto es menor que la densidad del agua, Saturno sería lo suficientemente ligero como para flotar.

Urano y Neptuno tienen cada uno una masa aproximadamente 15 veces mayor que la de la Tierra y, de ahí, solo son 5% más masivas que Júpiter. Sus densidades de 1.3 g/cm ³ y 1.6 g/cm ³, respectivamente, son muy superiores a las de Saturno. Esta es una pieza de evidencia que nos dice que su composición debe diferir fundamentalmente de los gigantes gaseosos. Cuando los astrónomos comenzaron a descubrir otros sistemas planetarios (exoplanetas), encontramos que los planetas del tamaño de Urano y Neptuno son comunes, y que hay aún más exoplanetas de tamaño intermedio entre la Tierra y estos gigantes de hielo, un tipo de planeta que no se encuentra en nuestro sistema solar.

Apariencia y Rotación

Cuando miramos a los planetas, solo vemos sus atmósferas, compuestas principalmente por hidrógeno y gas helio (ver foto del capítulo). Las nubes más altas de Júpiter y Saturno, la parte que vemos al mirar hacia abajo a estos planetas desde arriba, están compuestas por cristales de amoníaco. En Neptuno, las nubes superiores están hechas de metano. En Urano, no vemos ninguna capa de nubes obvia en absoluto, sino solo una neblina profunda y sin rasgos.

Visto a través de un telescopio, Júpiter es un planeta colorido y dinámico. Distintos detalles en sus patrones de nubes nos permiten determinar la velocidad de rotación de su atmósfera a nivel de nube, aunque tal rotación de la atmósfera puede tener poco que ver con el giro del planeta subyacente. Mucho más fundamental es la rotación del manto y el núcleo; estos pueden ser determinados por variaciones periódicas en las ondas de radio provenientes de Júpiter, las cuales son controladas por su campo magnético. Dado que el campo magnético (que discutiremos más adelante) se origina en lo profundo del planeta, comparte la rotación del interior. El periodo de rotación que medimos de esta manera es de 9 horas 56 minutos, lo que le da a Júpiter el “día” más corto de cualquier planeta. De la misma manera, podemos medir que el periodo de rotación subyacente de Saturno es de 10 horas 40 minutos. Urano y Neptuno tienen periodos de rotación ligeramente más largos de alrededor de 17 horas, también determinados a partir de la rotación de sus campos magnéticos.

Un breve video realizado a partir de fotos del Telescopio Espacial Hubble muestra la rotación de Júpiter con sus muchas características atmosféricas.

Recuerda que la Tierra y Marte tienen estaciones porque sus ejes de giro, en lugar de “pararse rectos”, están inclinados con relación al plano orbital del sistema solar. Esto quiere decir que a medida que la Tierra gira alrededor del Sol, a veces un hemisferio y otras veces el otro “se inclina” hacia el Sol.

¿Cómo son las estaciones para los planetas gigantes? El eje de giro de Júpiter está inclinado solo 3°, por lo que no hay estaciones de las que hablar. Saturno, sin embargo, sí tiene estaciones, ya que su eje de giro está inclinado a 27° con respecto a la perpendicular a su órbita. Neptuno tiene aproximadamente la misma inclinación que Saturno (29°); por lo tanto, experimenta estaciones similares (solo que más lentamente). Las estaciones más extrañas de todas están en Urano, que tiene un eje de giro inclinado 98° con respecto a la dirección norte. Prácticamente hablando, podemos decir que Urano orbita de lado, y su anillo y sistema lunar lo siguen, orbitando alrededor del ecuador de Urano (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura Imagen\(\PageIndex{1}\) Infrarroja de Urano. La cámara infrarroja del Telescopio Espacial Hubble tomó estas imágenes en color falso del planeta Urano, su sistema de anillos y lunas en 1997. El polo sur del planeta (marcado con un “+” en la imagen derecha) mira hacia el Sol; su color verde muestra una fuerte neblina local. Las dos imágenes fueron tomadas con 90 minutos de diferencia, y durante ese tiempo se puede observar que las cinco nubes rojizas giran alrededor del paralelo al ecuador. Los anillos (que son muy tenues a la luz visible, pero prominentes en el infrarrojo) y ocho lunas se pueden ver alrededor del ecuador. Este fue el arreglo de “ojo de buey” que Voyager vio cuando se acercaba a Urano en 1986.

No sabemos qué causó que Urano se volcara así, pero una posibilidad es una colisión con un gran cuerpo planetario cuando nuestro sistema se estaba formando por primera vez. Cualquiera que sea la causa, esta inclinación inusual crea temporadas dramáticas. Cuando la Voyager 2 llegó a Urano, su polo sur estaba orientado directamente hacia el Sol. El hemisferio sur estaba viviendo un verano de 21 años iluminado por el sol, mientras que durante ese mismo período el hemisferio norte se sumergió en la oscuridad. Para la próxima temporada de 21 años, el Sol brilla sobre el ecuador de Urano, y ambos hemisferios atraviesan ciclos de luz y oscuridad a medida que gira el planeta (Figura\(\PageIndex{6}\)). Después hay 21 años de un hemisferio norte iluminado y un hemisferio sur oscuro. Después de eso se repite el patrón de alternar día y noche.

Al igual que en la Tierra, las estaciones son aún más extremas en los polos. Si tuvieras que instalar una plataforma flotante en el polo sur de Urano, por ejemplo, experimentaría 42 años de luz y 42 años de oscuridad. Cualquier futuro astronauta lo suficientemente loco como para establecer un campamento allí podría pasar la mayor parte de su vida sin ver nunca el Sol.

Figura Temporadas\(\PageIndex{2}\) Extrañas en Urano. (a) Este diagrama muestra la órbita de Urano vista desde arriba. En el momento en que llegó la Voyager 2 (posición 1), el Polo Sur estaba frente al Sol. A medida que nos movemos en sentido antihorario en el diagrama, vemos el planeta 21 años después en cada paso. (b) Esta gráfica compara la cantidad de luz solar vista en los polos y el ecuador de Urano a lo largo de su revolución de 84 años alrededor del Sol.

Composición y Estructura

Aunque no podemos ver dentro de estos planetas, los astrónomos confían en que los interiores de Júpiter y Saturno están compuestos principalmente por hidrógeno y helio. Por supuesto, estos gases se han medido sólo en su atmósfera, pero los cálculos realizados por primera vez hace más de 50 años mostraron que estos dos gases ligeros son los únicos materiales posibles a partir de los cuales podría construirse un planeta con las masas y densidades observadas de Júpiter y Saturno.

Las estructuras internas profundas de estos dos planetas son difíciles de predecir. Esto se debe principalmente a que estos planetas son tan grandes que el hidrógeno y el helio en sus centros se comprimen tremendamente y se comportan de manera que estos gases nunca podrán comportarse en la Tierra. Los mejores modelos teóricos que tenemos de la estructura de Júpiter predicen una presión central mayor a 100 millones de bares y una densidad central de aproximadamente 31 g/cm ³. (Por el contrario, el núcleo de la Tierra tiene una presión central de 4 millones de bares y una densidad central de 17 g/cm ³.)

A las presiones dentro de los planetas gigantes, los materiales familiares pueden tomar formas extrañas. A pocos miles de kilómetros por debajo de las nubes visibles de Júpiter y Saturno, las presiones se vuelven tan grandes que el hidrógeno cambia de estado gaseoso a líquido. Aún más profundo, este hidrógeno líquido se comprime aún más y comienza a actuar como un metal, algo que nunca hace en la Tierra. (En un metal, los electrones no están firmemente adheridos a sus núcleos progenitores sino que pueden deambular. Es por ello que los metales son tan buenos conductores de electricidad.) En Júpiter, la mayor parte del interior es hidrógeno metálico líquido.

Debido a que Saturno es menos masivo, solo tiene un pequeño volumen de hidrógeno metálico, pero la mayor parte de su interior es líquido. Urano y Neptuno son demasiado pequeños para alcanzar presiones internas suficientes para licuar hidrógeno. Volveremos a la discusión de las capas metálicas de hidrógeno cuando examinemos los campos magnéticos de los planetas gigantes.

Cada uno de estos planetas tiene un núcleo compuesto por materiales más pesados, como lo demuestran los análisis detallados de sus campos gravitacionales. Presumiblemente estos núcleos son los cuerpos originales de roca y hielo que se formaron antes de la captura de gas de la nebulosa circundante. Los núcleos existen a presiones de decenas de millones de bares. Si bien los científicos hablan de que los núcleos planetarios gigantes están compuestos de roca y hielo, podemos estar seguros de que ni la roca ni el hielo asumen formas familiares a tales presiones y temperaturas. Recuerde que lo que realmente se entiende por “roca” es cualquier material compuesto principalmente por hierro, silicio y oxígeno, mientras que el término “hielo” en este capítulo denota materiales compuestos principalmente por los elementos carbono, nitrógeno y oxígeno en combinación con hidrógeno.

La figura\(\PageIndex{3}\) ilustra las probables estructuras interiores de los cuatro planetas jovianos. Parece que los cuatro tienen núcleos similares de roca y hielo. En Júpiter y Saturno, los núcleos constituyen solo un pequeño porcentaje de la masa total, consistente con la composición inicial de las materias primas que se muestra en la Tabla\(11.1.1\). Sin embargo, la mayor parte de la masa de Urano y Neptuno reside en estos núcleos, lo que demuestra que los dos planetas exteriores no pudieron atraer cantidades masivas de hidrógeno y helio cuando se formaron por primera vez.

Figura Estructuras\(\PageIndex{3}\) Internas de los Planetas Jovianos. Júpiter y Saturno están compuestos principalmente de hidrógeno y helio (pero el hidrógeno domina), pero Urano y Neptuno consisten en gran parte de compuestos de carbono, nitrógeno y oxígeno. (Los diagramas se dibujan a escala; los números muestran radios en miles de kilómetros).

Fuentes de calor internas

Debido a sus grandes tamaños, todos los planetas gigantes se calentaron fuertemente durante su formación por el colapso del material circundante sobre sus núcleos. Júpiter, siendo el más grande, era el más caliente. Parte de este calor primordial aún puede permanecer dentro de planetas tan grandes. Además, es posible que los planetas gigantes, en gran parte gaseosos, generen calor después de la formación al contraerse lentamente. (Con una masa tan grande, incluso una cantidad minúscula de contracción puede generar calor significativo). El efecto de estas fuentes internas de energía es elevar las temperaturas en los interiores y atmósferas de los planetas más altas de lo que esperaríamos del efecto de calentamiento del Sol solo.

Júpiter tiene la mayor fuente de energía interna, que asciende a 4 × 10 ¹⁷ vatios; es decir, se calienta desde adentro con energía equivalente a 4 millones de mil millones de bombillas de 100 vatios. Esta energía es aproximadamente la misma que la energía solar total absorbida por Júpiter. La atmósfera de Júpiter es, por tanto, una especie de cruce entre una atmósfera planetaria normal (como la de la Tierra), que obtiene la mayor parte de su energía del Sol, y la atmósfera de una estrella, que es totalmente calentada por una fuente de energía interna. La mayor parte de la energía interna de Júpiter es calor primordial, sobrante de la formación del planeta hace 4.5 mil millones de años.

Saturno tiene una fuente de energía interna aproximadamente la mitad de grande que la de Júpiter, lo que significa (ya que su masa es sólo aproximadamente una cuarta parte de grande) que está produciendo el doble de energía por kilogramo de material que Júpiter. Dado que se espera que Saturno tenga mucho menos calor primordial, debe haber otra fuente en el trabajo generando la mayor parte de estos 2 × 10 ¹⁷ watts de potencia. Esta fuente es la separación del helio del hidrógeno en el interior de Saturno. En el manto de hidrógeno líquido, el helio más pesado forma gotitas que se hunden hacia el núcleo, liberando energía gravitacional. En efecto, Saturno sigue diferenciándose, permitiendo que el material más ligero suba y el material más pesado caiga.

Urano y Neptuno son diferentes. Neptuno tiene una pequeña fuente de energía interna, mientras que Urano no emite una cantidad medible de calor interno. Como resultado, estos dos planetas tienen casi la misma temperatura atmosférica, a pesar de la mayor distancia de Neptuno con respecto al Sol. Nadie sabe por qué estos dos planetas difieren en su calor interno, pero todo esto muestra cómo la naturaleza puede idear para hacer que cada mundo sea un poco diferente de sus vecinos.

Campos Magnéticos

Cada uno de los planetas gigantes tiene un fuerte campo magnético, generado por las corrientes eléctricas en su interior que gira rápidamente. Asociadas a los campos magnéticos están las magnetosferas de los planetas, que son regiones alrededor del planeta dentro de las cuales el propio campo magnético del planeta domina sobre el campo magnético interplanetario general. Las magnetosferas de estos planetas son sus mayores características, extendiéndose millones de kilómetros al espacio.

A finales de la década de 1950, los astrónomos descubrieron que Júpiter era una fuente de ondas de radio que se volvieron más intensas a longitudes de onda más largas que a longitudes de onda más cortas, justo al revés de lo que se espera de la radiación térmica (radiación causada por las vibraciones normales de las partículas dentro de toda la materia). Dicho comportamiento es típico, sin embargo, de la radiación emitida cuando los electrones de alta velocidad son acelerados por un campo magnético. A esto lo llamamos radiación sincrotrón porque se observó por primera vez en la Tierra en aceleradores de partículas, llamados sincrotrones. Este fue nuestro primer indicio de que Júpiter debe tener un campo magnético fuerte.

Observaciones posteriores mostraron que las ondas de radio provienen de una región que rodea a Júpiter con un diámetro varias veces mayor que el del propio planeta (Figura\(\PageIndex{4}\)). La evidencia sugiere que un gran número de partículas atómicas cargadas deben estar circulando alrededor de Júpiter, en espiral alrededor de las líneas de fuerza de un campo magnético asociado con el planeta. Esto es justo lo que observamos sucediendo, pero a menor escala, en el cinturón de Van Allen alrededor de la Tierra. Los campos magnéticos de Saturno, Urano y Neptuno, descubiertos por la nave espacial que primero pasó cerca de estos planetas, funcionan de manera similar, pero no son tan fuertes.

Figura\(\PageIndex{4}\) Júpiter en Ondas de Radio. Esta imagen en falso color de Júpiter se realizó con el Very Large Array (de radiotelescopios) en Nuevo México. Vemos parte de la magnetosfera, más brillante en el medio porque el mayor número de partículas cargadas se encuentran en la zona ecuatorial de Júpiter. El planeta en sí es ligeramente más pequeño que el óvalo verde en el centro. Se utilizan diferentes colores para indicar diferentes intensidades de radiación de sincrotrón.

Conoce más sobre la magnetosfera de Júpiter y por qué seguimos interesándonos en ella a partir de este breve video de la NASA.

Dentro de cada magnetosfera, las partículas cargadas giran en espiral en el campo magnético; como resultado, pueden acelerarse a altas energías. Estas partículas cargadas pueden provenir del Sol o del vecindario del propio planeta. En el caso de Júpiter, Io, una de sus lunas, resulta tener erupciones volcánicas que hacen estallar partículas cargadas al espacio y directamente a la magnetosfera joviana.

El eje del campo magnético de Júpiter (la línea que conecta el polo norte magnético con el polo sur magnético) no está alineado exactamente con el eje de rotación del planeta; más bien, está inclinado alrededor de 10°. Urano y Neptuno tienen inclinaciones magnéticas aún mayores, de 60° y 55°, respectivamente. El campo de Saturno, por otro lado, está perfectamente alineado con su eje de rotación. No se entiende bien por qué planetas diferentes tienen inclinaciones magnéticas tan diferentes.

Los procesos físicos alrededor de los planetas jovianos resultan ser versiones más suaves de lo que los astrónomos encuentran en muchos objetos distantes, desde los restos de estrellas muertas hasta las desconcertantes centrales distantes que llamamos cuásares. Una razón para estudiar las magnetosferas de los planetas gigantes y la Tierra es que proporcionan análogos accesibles cercanos de procesos cósmicos más energéticos y desafiantes.

Conceptos clave y resumen

Júpiter es 318 veces más masivo que la Tierra. Saturno es aproximadamente 25% tan masivo como Júpiter, y Urano y Neptuno son solo 5% tan masivos. Los cuatro tienen atmósferas profundas y nubes opacas, y todos giran rápidamente con periodos de 10 a 17 horas. Júpiter y Saturno tienen extensos mantos de hidrógeno líquido. Urano y Neptuno están agotados en hidrógeno y helio en relación con Júpiter y Saturno (y el Sol). Cada planeta gigante tiene un núcleo de “hielo” y “roca” de unas 10 masas terrestres. Júpiter, Saturno y Neptuno tienen importantes fuentes internas de calor, obteniendo tanta (o más) energía de sus interiores como por la radiación del Sol. Urano no tiene calor interno medible. Júpiter tiene el campo magnético más fuerte y la magnetosfera más grande de cualquier planeta, descubierto por primera vez por los radioastrónomos a partir de observaciones de radiación sincrotrón.

Glosario

radiación sincrotrón

la radiación emitida por las partículas cargadas se acelera en campos magnéticos y se mueve a velocidades cercanas a la de la luz