Aunque los gigantes gaseosos de nuestro Sistema Solar varían ampliamente en tamaño y masa, tienen algo en común. A medida que estas lunas se hicieron más grandes, el gas sobrante los desaceleró y cayeron al planeta para ser consumidos. Las lunas que vemos hoy fueron las últimas en formarse alrededor de sus planetas padres, después de que el gas se había disipado.
Cada uno de los planetas gaseosos exteriores de nuestro Sistema Solar alberga un sistema de múltiples satélites, y estos objetos incluyen el volcánico Io y Europa de Júpiter con su creído océano subsuperficial, así como Titán con su densa atmósfera rica en orgánicos en Saturno. Si bien las propiedades individuales de los satélites varían, todos los sistemas comparten una sorprendente similitud: la masa total de cada sistema de satélite en comparación con la masa de su planeta anfitrión es casi una relación constante, aproximadamente 1: 10,000.
La investigación realizada por científicos del Southwest Research Institute, publicada en la edición del 15 de junio de Nature, propone una explicación de por qué los planetas gaseosos muestran esta consistencia y por qué los satélites de los planetas gaseosos son mucho más pequeños en comparación con su planeta que los satélites principales de planetas sólidos
Los cuatro satélites galileanos de Júpiter son cada uno más o menos similares en tamaño, mientras que Saturno tiene un satélite grande junto con numerosos satélites mucho más pequeños. Aun así, la masa total en ambos sistemas satelitales es aproximadamente una centésima del uno por ciento (0.0001) de la masa del planeta respectivo. La estructura del sistema satelital de Urania es similar a la de Júpiter, y también exhibe la misma relación de masa. En contraste, los grandes satélites de planetas sólidos contienen fracciones mucho más grandes de las masas de su planeta, con la Luna conteniendo el 1 por ciento (0.01) de la masa de la Tierra, y el satélite de Plutón, Charon, conteniendo más del 10 por ciento (0.1) de su masa.
¿Por qué los planetas gaseosos, cada uno con sus propias historias de formación únicas, tienen sistemas de satélites que contienen una fracción constante de la masa de cada planeta, y por qué esta fracción es tan pequeña en comparación con los satélites planetarios sólidos? El Dr. Robin Canup y el Dr. William Ward, del Departamento de Estudios Espaciales de SwRI, proponen que fue la presencia de gas, principalmente hidrógeno, durante la formación de estos satélites lo que limitó su crecimiento y seleccionó una fracción de masa del sistema satelital común.
A medida que se formaron los planetas gaseosos, acumularon hidrógeno gaseoso y sólidos como rocas y hielo. Se cree que la etapa final de la formación de un planeta gaseoso involucra una entrada de gas y sólidos desde la órbita solar a la órbita planetaria, produciendo un disco de gas y sólidos que orbitan el planeta en su plano ecuatorial. Es dentro de ese disco donde se cree que se formaron los satélites.
Canup y Ward consideraron que la gravedad de un satélite en crecimiento induce ondas espirales en un disco de gas circundante, y que las interacciones gravitacionales entre estas ondas y el satélite hacen que la órbita del satélite se contraiga. Este efecto se vuelve más fuerte a medida que crece un satélite, de modo que cuanto más grande se vuelve un satélite, más rápido su órbita gira hacia el planeta. El equipo propone que el equilibrio de dos procesos, la entrada continua de material a los satélites durante su crecimiento y la pérdida de satélites por colisión con el planeta, implica un tamaño máximo para un satélite planetario de gas consistente con las observaciones.
Utilizando simulaciones numéricas y estimaciones analíticas del crecimiento y la pérdida de satélites, el equipo muestra que es probable que haya múltiples generaciones de satélites, siendo los satélites de hoy la última generación sobreviviente que se formó cuando el crecimiento del planeta cesó y el disco de gas se disipó. Canup y Ward demuestran que durante múltiples ciclos de crecimiento y pérdida de satélites, la fracción de la masa del planeta contenida en sus satélites en un momento dado mantiene un valor no muy diferente de 0.0001 en una amplia gama de opciones de parámetros del modelo.
Las simulaciones directas del equipo también son las primeras en producir sistemas satelitales similares a los de Júpiter, Saturno y Urano en términos de número de satélites, sus masas más grandes y la separación de las grandes órbitas satelitales.
"Creemos que nuestros resultados presentan un caso sólido de que los sistemas de satélites de Júpiter y Saturno se formaron dentro de los discos producidos cuando el planeta estaba en sus etapas finales de crecimiento", dice Canup. "Sin embargo, el origen del sistema satelital de Urano sigue siendo más incierto, y la probabilidad de que nuestros resultados sean aplicables a ese planeta depende de cómo Urano logró su inclinación axial de casi 98 grados, que es un tema de estudio activo".
Para los sistemas extrasolares, esta investigación sugiere que los satélites más grandes de un planeta de masa de Júpiter serían del tamaño de la Luna a Marte, por lo que no se esperaría que los exoplanetas del tamaño de Jovian alberguen satélites tan grandes como la Tierra. Esto es relevante para la potencial habitabilidad de los satélites en sistemas extrasolares.
Los programas de investigación de geología planetaria y geofísica y planetas exteriores de la NASA financiaron esta investigación. El artículo, "Una escala masiva común para sistemas satelitales de planetas gaseosos", de Canup y Ward, aparece en la edición del 15 de junio de Nature.
Fuente original: Comunicado de prensa de SwRI
