El planeta enano Plutón y su sistema de cinco lunas son tan misteriosos como el inframundo de la antigüedad que inspiró sus nombres. A una media de aproximadamente 3.700 millones de millas de la Tierra, Plutón es el único de los nueve planetas originales que aún no se ha observado a corta distancia, aunque esto cambiará cuando la sonda New Horizons realice un sobrevuelo a mediados de julio. También tiene un número no confirmado de lunas, lo que se suma a las complicaciones de calcular trayectorias orbitales.
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"Si encuestaras a mi equipo científico, estoy bastante seguro de que la mayoría se sorprendería de no encontrar más lunas", dice Alan Stern, investigador principal de la misión New Horizons. “La pregunta es ¿vamos a encontrar 2, 10 o 20? No pondría mis apuestas a cero ".
Un nuevo estudio publicado esta semana en Nature nos ayuda a comprender mejor las órbitas de las lunas conocidas de Plutón, que a su vez pueden ofrecer pistas sobre la mecánica de los exoplanetas que orbitan estrellas gemelas. Pero el trabajo también señala algunas inconsistencias que sugieren que la formación de estas lunas sigue siendo un enigma.
Plutón y su luna más grande, Caronte, están encerrados en una danza binaria, orbitando un centro de masa común debido a su influencia gravitacional entre sí. Los otros cuatro satélites conocidos en este sistema (Styx, Nix, Kerberos e Hydra) también orbitan ese centro común en lugar de Plutón. Esto significa que tienen oscilaciones extrañas en sus órbitas casi circulares, y se comportan de manera diferente a otras lunas en el sistema solar.
Esta compleja relación orbital, junto con la dificultad de observar el sistema distante, ha dificultado descubrir cómo se formaron Plutón y su familia. La teoría principal es que, al igual que el impacto gigante que formó la luna de la Tierra, Charon nació cuando un objeto grande se estrelló contra Plutón durante la formación violenta del sistema solar, y las otras lunas pequeñas se acumularon de los restos sobrantes.
Las imágenes de New Horizons tomadas en abril muestran a Plutón y Charon orbitando un centro de masa común. (Gif animado de la NASA / Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins / Southwest Research Institute)"Todavía estamos desconcertados por la forma en que se formó el sistema", dice el coautor del estudio Mark Showalter, científico investigador principal del Instituto de Búsqueda de Inteligencia Extraterrestre (SETI). “Creo que todos creen que, en algún momento en el pasado distante, un gran objeto golpeó a 'proto-Plutón' y las lunas se formaron a partir de la nube de escombros. Sin embargo, después de ese punto en la historia, los detalles se vuelven muy incompletos ".
Ahora, el análisis de los datos recopilados del Telescopio Espacial Hubble después de los descubrimientos de Kerberos y Styx sugiere que Styx está bloqueado en una resonancia orbital con Nix e Hydra, lo que respalda la teoría del impacto. La resonancia orbital es cuando múltiples cuerpos ejercen una influencia gravitacional periódica y regular entre sí para que completen sus órbitas en un patrón predecible. El ejemplo más conocido es la resonancia de Laplace de las tres lunas de Júpiter, Io, Europa y Ganímedes, que tienen una resonancia orbital de 1: 2: 4. Esto significa que Io orbita a Júpiter cuatro veces por cada una de las rotaciones de Ganímedes, mientras que Europa orbita dos veces en el mismo tiempo.
Los modelos matemáticos de Showalter muestran que las resonancias de las cinco lunas de Plutón podrían haberse encerrado en una relación 1: 3: 4: 5: 6 después del impacto de formación de Charon, muy cerca de la relación actual de períodos orbitales para las lunas de Plutón. Esta teoría también explica la resonancia restante de Styx, Nix e Hydra. Pero hay un factor de complicación: los otros cuerpos en el sistema de Plutón inyectan caos en la configuración estable de esas lunas.
Styx, Nix e Hydra parecen estar bloqueados en resonancia la mayor parte del tiempo, pero Nix e Hydra son arrojados periódicamente al caos, y ha sido difícil identificar la causa. Las órbitas caóticas ocurren cuando el eje de rotación de un objeto no esférico se tambalea significativamente, evitando que caiga en una órbita sincrónica. La luna "esponja" de Saturno, Hyperion, gira caóticamente, por ejemplo, y los astrónomos creen que su movimiento tambaleante es causado por la resonancia orbital 3: 4 de Hyperion con la luna más grande Titán. Pero los nuevos modelos dinámicos y de fotometría ejecutados por Showalter sugieren que un sistema binario como Plutón y Charon también puede hacer que las lunas no esféricas giren de forma caótica, por lo que incluso con las órbitas caóticas de Nix e Hydra, el escenario de impacto aún parece plausible.
Una imagen del Hubble de 2012 captura a Plutón con sus cinco lunas conocidas. (NASA, ESA y M. Showalter (Instituto SETI))Kerberos, sin embargo, arroja una llave importante en la teoría del impacto. Según los datos de observación de Hubble, Nix e Hydra parecen ser objetos brillantes, similares a Charon. Pero Kerberos parece mucho más oscuro. Con una masa que es aproximadamente un tercio de la de Nix e Hydra, Kerberos solo refleja alrededor del 5 por ciento de la luz solar. Si las lunas más pequeñas de Plutón se formaran a partir del material agregado de una sola colisión mayor, entonces tendrían una relación directa entre el tamaño y el brillo. Un sistema de satélite heterogéneo, como el de Plutón parece ser, sigue siendo un enigma.
"Esta investigación es un poco como la arqueología", dice Showalter. "Acabamos de desenterrar algunas piezas de cerámica antigua, pero aún no sabemos cómo encajan".
El sobrevuelo de New Horizons del sistema de Plutón el 14 de julio ayudará a responder muchas de las preguntas planteadas en el documento de Nature . Los instrumentos en New Horizons podrán determinar si Kerberos es realmente más oscuro que las otras lunas, y tomarán medidas precisas de las formas de todas las lunas de Plutón. Quizás lo más emocionante es que el sobrevuelo revelará si existen otras lunas o anillos que influyan en la compleja mecánica orbital del sistema de Plutón.
"Cada sistema planetario tiene una historia de formación que contar", explica Showalter. “Comprender sus historias nos ayuda a comprender otros tipos de discos astrofísicos, incluidas las galaxias y los sistemas exoplanetarios. Hay muchos 'planetas circumbinarios' conocidos que orbitan dos estrellas en lugar de una: piense en Luke Skywalker al atardecer en Tatooine. Creo que el sistema Plutón nos está mostrando nuevos detalles sobre cómo operan estos sistemas dinámicos mucho más grandes ".