12.4: Plutón y Caronte
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Comparar las características orbitales de Plutón con las de los planetas
- Describir información sobre la superficie de Plutón deducida de las imágenes de New Horizons
- Observe algunas características distintivas de la gran luna de Plutón Caronte
Plutón no es una luna, pero lo discutimos aquí porque su tamaño y composición son similares a muchas lunas del sistema solar exterior. Nuestra comprensión de Plutón (y su gran luna Caronte) ha cambiado drásticamente como resultado del sobrevuelo de New Horizons en 2015.
¿Plutón es un planeta?
Plutón fue descubierto a través de una búsqueda cuidadosa y sistemática, a diferencia de Neptuno, cuya posición se calculó a partir de la teoría gravitacional. Sin embargo, la historia de la búsqueda de Plutón comenzó con indicios de que Urano tenía ligeras desviaciones de su órbita predicha, salidas que podrían deberse a la gravitación de un “Planeta X” por descubrir. A principios del siglo XX, varios astrónomos, sobre todo Percival Lowell, entonces en la cima de su fama como defensor de la vida inteligente en Marte, se interesaron por buscar este noveno planeta.
Lowell y sus contemporáneos basaron sus cálculos principalmente en pequeñas irregularidades inexplicables en el movimiento de Urano. Los cálculos de Lowell indicaron dos posibles ubicaciones para un inquietante Planeta X; el más probable de los dos estaba en la constelación Géminis. Predijo una masa para el planeta intermedia entre las masas de la Tierra y Neptuno (sus cálculos dieron alrededor de 6 masas terrestres). Otros astrónomos, sin embargo, obtuvieron otras soluciones de las diminutas irregularidades orbitales, incluso incluyendo un modelo que indicaba dos planetas más allá de Neptuno.
En su observatorio de Arizona, Lowell buscó sin éxito el planeta desconocido desde 1906 hasta su muerte en 1916, y la búsqueda no se renovó hasta 1929. En febrero de 1930, un joven asistente de observación llamado Clyde Tombaugh (ver cuadro de características a continuación), comparando fotografías que hizo los días 23 y 29 de enero de ese año, encontró un objeto débil cuyo movimiento parecía ser casi justo para un planeta mucho más allá de la órbita de Neptuno (Figura\(\PageIndex{1}\)). El nuevo planeta recibió el nombre de Plutón, el dios romano del inframundo, que habitaba en la remota oscuridad, al igual que el nuevo planeta. La elección de este nombre, entre cientos sugeridos, fue ayudada por el hecho de que las dos primeras letras eran las iniciales de Percival Lowell.
Aunque el descubrimiento de Plutón parecía inicialmente ser una reivindicación de la teoría gravitacional similar al triunfo anterior de Adams y Le Verrier en la predicción de la posición de Neptuno, ahora sabemos que los cálculos de Lowell estaban equivocados. Cuando finalmente se midieron su masa y tamaño, se encontró que Plutón no pudo haber ejercido ningún tirón medible sobre Urano o Neptuno. Los astrónomos ahora están convencidos de que las pequeñas anomalías reportadas en los movimientos de Urano no son, y nunca fueron, reales.
Desde el momento de su descubrimiento, quedó claro que Plutón no era un gigante como los otros cuatro planetas exteriores del sistema solar. Durante mucho tiempo, se pensó que la masa de Plutón era similar a la de la Tierra, por lo que se clasificó como un quinto planeta terrestre, de alguna manera fuera de lugar en los confines exteriores del sistema solar. Había otras anomalías, sin embargo, ya que la órbita de Plutón era más excéntrica e inclinada al plano de nuestro sistema solar que la de cualquier otro planeta. Sólo después del descubrimiento de su luna Caronte en 1978 se pudo medir la masa de Plutón, y resultó ser mucho menor que la masa de la Tierra.
Además de Caronte, Plutón tiene cuatro lunas pequeñas. Observaciones posteriores de Caronte mostraron que esta luna se encuentra en órbita retrógrada y tiene un diámetro de unos 1200 kilómetros, más de la mitad del tamaño del propio Plutón (Figura\(\PageIndex{2}\)). Esto convierte a Caronte en la luna cuyo tamaño es la fracción más grande de su planeta padre. Incluso podríamos pensar en Plutón y Caronte como un mundo doble. Visto desde Plutón, Caronte sería tan grande como ocho lunas llenas en la Tierra.
A muchos astrónomos, Plutón parecía el primo extraño que todo el mundo espera que no aparezca en la próxima reunión familiar. Ni su trayectoria alrededor del Sol ni su tamaño se asemeja ni a los planetas gigantes ni a los planetas terrestres. En la década de 1990, los astrónomos comenzaron a descubrir pequeños objetos adicionales en el sistema solar lejano, demostrando que Plutón no era único. Discutiremos estos objetos transneptunianos más adelante con otros cuerpos pequeños, en el capítulo sobre Cometas y Asteroides - Desechos del Sistema Solar. Uno de ellos (llamado Eris) es casi del mismo tamaño que Plutón, y otro (Makemake) es sustancialmente más pequeño. Para los astrónomos quedó claro que Plutón era tan diferente de los otros planetas que necesitaba una nueva clasificación. Por lo tanto, se le llamó planeta enano, es decir, un planeta mucho más pequeño que los planetas terrestres. Ahora conocemos muchos objetos pequeños en las cercanías de Plutón y hemos clasificado a varios como planetas enanos.
Una historia similar se asoció con el descubrimiento de los asteroides. Cuando se descubrió el primer asteroide (Ceres) a principios del siglo XIX, fue aclamado como un nuevo planeta. En los años siguientes, sin embargo, se encontraron otros objetos con órbitas similares a Ceres. Los astrónomos decidieron que estos no deberían considerarse todos planetas, por lo que inventaron una nueva clase de objetos, llamados planetas menores o asteroides. Hoy en día, a Ceres también se le llama planeta enano. Tanto los planetas menores como los planetas enanos forman parte de todo un cinturón o zonas de objetos similares (como discutiremos en Cometas y Asteroides - Desechos del Sistema Solar).
Entonces, ¿Plutón es un planeta? Nuestra respuesta es sí, pero es un planeta enano, claramente no en la misma liga con los ocho planetas principales (cuatro gigantes y cuatro terrestres). Si bien algunas personas se molestaron cuando Plutón fue reclasificado, podríamos señalar que un árbol enano sigue siendo un tipo de árbol y (como veremos) una galaxia enana sigue siendo un tipo de galaxia.
CLYDE TOMBAUGH: DE LA GRANJA A LA FAMA
Clyde Tombaugh descubrió a Plutón cuando tenía 24 años, y su puesto como asistente de personal en el Observatorio Lowell fue su primer trabajo remunerado. Tombaugh había nacido en una granja en Illinois, pero cuando tenía 16 años, su familia se mudó a Kansas. Ahí, con el aliento de su tío, observó el cielo a través de un telescopio que la familia había ordenado del catálogo de Sears. Tombaugh luego construyó un telescopio más grande por su cuenta y dedicó sus noches (cuando no estaba demasiado cansado del trabajo agrícola) a hacer bocetos detallados de los planetas (Figura\(\PageIndex{3}\)).
En 1928, después de que una tormenta de granizo arruinara la cosecha, Tombaugh decidió que necesitaba un trabajo para ayudar a mantener a su familia. A pesar de que sólo tenía una educación secundaria, pensó en convertirse en constructor de telescopios. Envió sus bocetos planetarios al Observatorio Lowell, buscando consejos sobre si tal elección de carrera era realista. Por un maravilloso giro del destino, su consulta llegó justo cuando los astrónomos de Lowell se dieron cuenta de que una búsqueda renovada de un noveno planeta requeriría de un observador muy paciente y dedicado.
Las grandes placas fotográficas (trozos de vidrio con emulsión fotográfica sobre ellas) que Tombaugh fue contratado para tomar de noche y buscar durante el día contenían un promedio de alrededor de 160 mil imágenes de estrellas cada una. ¿Cómo encontrar a Plutón entre ellos? La técnica consistió en tomar dos fotografías con una semana de diferencia. Durante esa semana, un planeta se movería un poquito, mientras que las estrellas permanecían en el mismo lugar relativas entre sí. Un nuevo instrumento llamado “comparador de parpadeo” podría alternar rápidamente las dos imágenes en un ocular. Las estrellas, al estar en la misma posición en las dos placas, no aparecerían cambiar ya que las dos imágenes estaban “parpadeadas”. Pero un objeto en movimiento parecería menearse de un lado a otro a medida que se alternaban las placas.
Después de examinar más de 2 millones de estrellas (y muchas falsas alarmas), Tombaugh encontró su planeta el 18 de febrero de 1930. Los astrónomos del observatorio verificaron cuidadosamente sus resultados, y el hallazgo fue anunciado el 13 de marzo, el 149 aniversario del descubrimiento de Urano. Enhorabuena y solicitudes de entrevistas vertidas de todo el mundo. Los visitantes descendieron al observatorio en partituras, queriendo ver el lugar donde se había descubierto el primer planeta nuevo en casi un siglo, así como la persona que lo había descubierto.
En 1932, Tombaugh se despidió de Lowell, donde había seguido buscando y parpadeando, para obtener un título universitario. Finalmente, recibió una maestría en astronomía y enseñó navegación para la Armada durante la Segunda Guerra Mundial. En 1955, después de trabajar para desarrollar un telescopio de rastreo de cohetes, se convirtió en profesor en la Universidad Estatal de Nuevo México, donde ayudó a fundar el departamento de astronomía. Murió en 1997; algunas de sus cenizas fueron colocadas dentro de la nave espacial New Horizons a Plutón.
Aquí hay un conmovedor video sobre la vida de Tombaugh como la describen sus hijos.
La naturaleza de Plutón
Utilizando datos de la sonda New Horizons, los astrónomos han medido el diámetro de Plutón como 2370 kilómetros, solo 60 perent tan grande como nuestra Luna. Por el diámetro y la masa, encontramos una densidad de 1.9 g/cm 3, lo que sugiere que Plutón es una mezcla de materiales rocosos y hielo de agua en aproximadamente las mismas proporciones que muchas lunas exteriores del planeta.
Partes de la superficie de Plutón son altamente reflectantes y su espectro demuestra la presencia en su superficie de metano congelado, monóxido de carbono y nitrógeno. La temperatura máxima de la superficie oscila entre aproximadamente 50 K cuando Plutón está más alejado del Sol a 60 K cuando está más cerca. Incluso esta pequeña diferencia es suficiente para provocar una sublimación parcial (pasando de sólido a gas) del hielo de metano y nitrógeno. Esto genera una atmósfera cuando Plutón está cerca del Sol, y se congela cuando Plutón está más lejos. Las observaciones de estrellas distantes vistas a través de esta delgada atmósfera indican que la presión superficial es de aproximadamente una diezmilésima parte de la Tierra, debido a que Plutón es unos grados más cálido que Tritón, su presión atmosférica es aproximadamente diez veces mayor. Esta atmósfera contiene varias capas de neblina distintas, presumiblemente causadas por reacciones fotoquímicas, como las de la atmósfera de Titán (Figura\(\PageIndex{4}\)).
Llegar a Plutón con una nave espacial era un reto importante, sobre todo en una época en la que los presupuestos reducidos de la NASA no podían soportar misiones grandes y costosas como Galileo y Cassini. Sin embargo, al igual que Galileo y Cassini, una misión de Plutón requeriría un sistema eléctrico nuclear que utilizara el calor del plutonio para generar la energía para alimentar los instrumentos y mantenerlos operando lejos del calor del Sol. La NASA puso a disposición uno de los últimos de sus generadores nucleares para tal misión. Suponiendo que se pudiera construir una nave espacial asequible pero altamente capaz, seguía existiendo el problema de llegar a Plutón, a casi 5 mil millones de kilómetros de la Tierra, sin esperar décadas. La respuesta fue usar la gravedad de Júpiter para tirachinas la nave espacial hacia Plutón.
El lanzamiento de New Horizons en 2006 inició la misión con una alta velocidad, y el sobrevuelo de Júpiter apenas un año después le dio el impulso adicional requerido. La nave espacial New Horizons llegó a Plutón en julio de 2015, viajando a una velocidad relativa de 14 kilómetros por segundo (o alrededor de 50,000 kilómetros por hora). Con esta alta velocidad, toda la secuencia de sobrevuelo se comprimió en solo un día. La mayoría de los datos registrados cerca del acercamiento más cercano no pudieron transmitirse a la Tierra hasta muchos meses después, pero cuando finalmente llegó, los astrónomos fueron recompensados con un tesoro de imágenes y datos.
Primeras vistas de primer plano de Plutón
Plutón no es el mundo geológicamente muerto que muchos anticipaban para un objeto tan pequeño, ni mucho menos. La división de la superficie en áreas con diferente composición y textura superficial es evidente en la foto global a color que se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\). El color rojizo se realza en esta imagen para resaltar más claramente las diferencias de color. Las partes más oscuras de la superficie parecen estar cráteres, pero junto a ellas hay un área de luz casi sin rasgos en el cuadrante inferior derecho de esta imagen. Las zonas oscuras muestran los colores de neblina fotoquímica o smog similares a los de la atmósfera de Titán. El material oscuro que está manchando estas viejas superficies podría provenir de la neblina atmosférica de Plutón o de reacciones químicas que tienen lugar en la superficie debido a la acción de la luz solar.
Las áreas de luz en la foto son cuencas de tierras bajas. Aparentemente se trata de mares de nitrógeno congelado, quizá a muchos kilómetros de profundidad. Tanto el gas nitrógeno como el metano son capaces de escapar de Plutón cuando se encuentra en la parte de su órbita cercana al Sol, pero sólo muy lentamente, por lo que no hay razón para que un vasto cuenco de nitrógeno congelado no pueda persistir por mucho tiempo.
La figura\(\PageIndex{6}\) muestra algunas de las notables características de la superficie reveladas por New Horizons. A la derecha de esta imagen vemos la “costa” del vasto cuenco de hielo de nitrógeno que vimos como la región lisa en la Figura\(\PageIndex{5}\). Apodado temporalmente las “Llanuras Sputnik”, después del primer objeto humano en ingresar al espacio, esta región redonda tiene aproximadamente mil kilómetros de ancho y muestra celdas o polígonos intrigantes que tienen un ancho promedio de más de 30 kilómetros. Las montañas en el medio son grandes bloques de hielo de agua congelada, algunos alcanzando alturas de 2 a 3 kilómetros.
La figura\(\PageIndex{7}\) muestra otra vista del límite entre diferentes tipos de geología. El ancho de esta imagen es de 250 kilómetros, y muestra un terreno oscuro, antiguo, fuertemente cráter; terreno oscuro, sin cráteres con una superficie montañosa; terreno liso, geológicamente joven; y un pequeño racimo de montañas de más de 3000 metros de altura. En las mejores imágenes, las áreas claras del hielo nitrogenado parecen haber fluido de manera muy parecida a los glaciares de la Tierra, cubriendo algunos de los terrenos más antiguos debajo de ellos.
Las montañas aisladas en medio de las llanuras lisas de nitrógeno probablemente también están hechas de hielo de agua, que es muy duro a las temperaturas en Plutón y puede flotar sobre nitrógeno congelado. Montañas adicionales, y algunos terrenos montañosos que recordaban a los científicos de la misión de piel de serpiente, son visibles en la Figura\(\PageIndex{7b}\). Estas son interpretaciones preliminares de solo los primeros datos que regresaron de New Horizons en 2015 y principios de 2016. Con el paso del tiempo, los científicos tendrán una mejor comprensión de la geología única de Plutón.
Un vistazo rápido a Charon
Para sumar a los misterios de Plutón, mostramos en Figura\(\PageIndex{8}\) una de las mejores imágenes de Nuevos Horizontes de la gran luna de Plutón Caronte. Recordemos de antes que Caronte es aproximadamente la mitad del tamaño de Plutón (su diámetro es aproximadamente del tamaño de Texas). Caronte mantiene el mismo lado hacia Plutón, así como nuestra Luna mantiene el mismo lado hacia la Tierra. Lo único del sistema Pluto-Caronte, sin embargo, es que Plutón también mantiene su misma cara hacia Caronte. Al igual que dos bailarines abrazándose, estos dos constantemente se enfrentan mientras giran a través de la pista de baile celestial. Los astrónomos llaman a esto una cerradura de doble marea.
Lo que mostró New Horizons fue otro mundo complejo. Hay cráteres dispersos en la parte inferior de la imagen, pero gran parte del resto de la superficie parece lisa. Cruzando el centro de la imagen se encuentra un cinturón de terreno accidentado, incluyendo lo que parecen ser valles tectónicos, como si algunas fuerzas hubieran intentado separar a Caronte. Encabezando esta extraña imagen se encuentra una gorra polar claramente roja, de composición desconocida. Muchas características de Caronte aún no se entienden, incluyendo lo que parece ser una montaña en medio de una región de baja elevación.
Resumen
Plutón y Caronte han sido revelados por la nave espacial New Horizons como dos de los objetos más fascinantes del sistema solar exterior. Plutón es pequeño (un planeta enano) pero también sorprendentemente activo, con áreas contrastantes de terrenos oscuros con cráteres, cuencas de color claro de hielo de nitrógeno y montañas de agua congelada que pueden estar flotando en el hielo de nitrógeno. Incluso la luna más grande de Plutón, Caronte, muestra evidencia de actividad geológica. Tanto Plutón como Caronte resultan ser mucho más dinámicos e interesantes de lo que se podría haber imaginado antes de la misión New Horizons.