La órbita de Plutón es sorprendentemente inestable         

 

Por Matt Williams, Universo Hoy

21 de abril de 2022.

Plutón y sus cohortes en el cinturón de Kuiper rico en asteroides helados más allá de la órbita de Neptuno. Crédito: NASA

 

En 1930, el astrónomo Clyde Tombaugh descubrió el legendario "Noveno Planeta" (o "Planeta X") mientras trabajaba en el Observatorio  Lowell en Flagstaff, Arizona. La existencia de este cuerpo había sido predicha previamente en base a perturbaciones en la órbita de Urano y Neptuno. Después de recibir más de 1.000 sugerencias de todo el mundo y un debate entre el personal del Observatorio, este objeto recién descubierto recibió el nombre de Plutón, que fue propuesto por una joven estudiante de Oxford (Venetia Burney).

 

Desde entonces, Plutón ha sido objeto de un estudio considerable, una controversia de nombres y fue visitado por primera vez el 14 de julio  de 2015 por la misión New Horizons. Una cosa que ha quedado clara desde el principio es la naturaleza de la órbita de Plutón, que es muy excéntrica e inclinada. Según una nueva investigación, la órbita de Plutón es relativamente estable en escalas de tiempo más largas, pero está sujeta a perturbaciones y cambios caóticos en escalas de tiempo más cortas.

 

La investigación fue realizada por el Dr. Renu Malhotra, profesor de investigación científica Louise Foucar Marshall en el Laboratorio Lunar y Planetario (LPL) de la Universidad de Arizona; y Takashi Ito, profesor asociado del Centro de Investigación de Exploración Planetaria (PERC) del Instituto Tecnológico de Chiba y del Centro de Astrofísica Computacional del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ). El artículo que describe sus hallazgos apareció recientemente en Proceedings of the National Academy of Sciences.

 

Para desglosarlo, la órbita de Plutón es radicalmente diferente a la de los planetas, que siguen órbitas casi circulares alrededor del ecuador del Sol, conocido con el nombre de eclíptica. Por el contrario, Plutón tarda 248 años en completar una sola órbita alrededor del Sol y sigue una órbita altamente elíptica que está inclinada 17° con respecto al plano de la eclíptica del Sistema Solar. La naturaleza excéntrica de su órbita también significa que Plutón pasa 20 años durante cada período orbitando más cerca del Sol que Neptuno.

 

La naturaleza de la órbita de Plutón es un misterio perdurable y algo de lo que los astrónomos se dieron cuenta muy poco tiempo después de  su descubrimiento. Desde entonces, se han realizado múltiples esfuerzos para simular el pasado y el futuro de su órbita, lo que reveló una sorprendente propiedad que protege a Plutón de colisionar con Neptuno. Como le dijo el Dr. Malhotra a Universe Today, esta es la condición de resonancia orbital conocida como "resonancia de movimiento medio".

 

"Esta condición asegura que en el momento en que Plutón está a la misma distancia heliocéntrica que Neptuno, su longitud está a casi 90  grados de la de Neptuno. Más tarde, se descubrió otra propiedad peculiar de la órbita de Plutón: Plutón llega al perihelio en un lugar muy por encima del plano de la órbita de Neptuno; este es un tipo diferente de resonancia orbital conocida como la 'oscilación vZLK'".

 

Esta abreviatura se refiere a von Zeipel, Lidov y Kozai, quienes estudiaron este fenómeno como parte del "problema de los tres cuerpos".  Este problema consiste en tomar las posiciones y velocidades iniciales de tres objetos masivos (desde que se extendió para incluir partículas) y resolver su movimiento posterior de acuerdo con las Tres Leyes del Movimiento de Newton y su Teoría de la Gravitación Universal, para las cuales no existe una solución general. Como agregó el Dr. Malhotra:

 

"A fines de la década de 1980, con la disponibilidad de computadoras más poderosas, las simulaciones numéricas revelaron una tercera  propiedad peculiar, que la órbita de Plutón es técnicamente caótica, es decir, pequeñas desviaciones de las condiciones iniciales conducen a una divergencia exponencial de las soluciones orbitales en decenas de millones de años. Sin embargo, este caos es limitado. Se ha encontrado en simulaciones numéricas que las dos propiedades especiales de la órbita de Plutón mencionadas anteriormente persisten durante escalas de tiempo de gigaaños, lo que hace que su órbita sea notablemente estable, a pesar de los indicadores de caos".

 

Para su estudio, Malhotra e Ito realizaron simulaciones numéricas de la órbita de Plutón hasta cinco mil millones de años en el futuro del Sistema Solar.

 

En particular, esperaban abordar preguntas no resueltas sobre las órbitas peculiares de Plutón y otros objetos del tamaño de Plutón (también  conocidos como Plutinos). Estas preguntas han sido abordadas por investigaciones realizadas durante las últimas décadas, como la "teoría de la migración planetaria", pero solo hasta cierto punto. En particular, esperaban abordar preguntas no resueltas sobre las órbitas peculiares de Plutón y otros objetos del tamaño de Plutón (también conocidos como Plutinos). En las últimas décadas, los astrónomos han intentado abordar estas cuestiones con nuevas teorías (como la "teoría de la migración de planetas"), pero han tenido un éxito limitado.

 

En esta hipótesis, Plutón fue arrastrado a su resonancia de movimiento medio actual por Neptuno, que emigró durante la historia temprana  del Sistema Solar. Una predicción importante de esta teoría es que otros Objetos Transneptunianos (TNO) compartirían la misma condición de resonancia, lo que desde entonces se ha verificado con el descubrimiento de un gran número de Plutinos. Este descubrimiento también ha llevado a una aceptación más generalizada de la teoría de la migración planetaria. Pero como explicó el Dr. Malhotra:

 

"La inclinación orbital de Plutón está estrechamente relacionada con su oscilación vZLK. Así que razonamos que si pudiéramos comprender  mejor las condiciones de la oscilación vZLK de Plutón, tal vez podríamos resolver el misterio de su inclinación. Comenzamos investigando el papel individual de los otros planetas gigantes (Júpiter, Saturno y Urano) en la órbita de Plutón".

 

Para hacer esto, el Dr. Malhotra e Ito realizaron simulaciones por computadora en las que simularon la evolución orbital de Plutón durante  hasta 5 mil millones de años que incluían ocho combinaciones diferentes de perturbaciones de planetas gigantes. Estas simulaciones de N-cuerpos incluyeron interacciones con:

 

Neptuno (—NP)

Urano y Neptuno (–UNP)

Saturno y Neptuno (-S-NP)

Júpiter y Neptuno (J–NP)

Saturno, Urano y Neptuno (-SUNP)

Júpiter, Urano y Neptuno (J-UNP)

Júpiter, Saturno y Neptuno (JS-NP)

Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno (JSUNP)

 

"No encontramos subconjuntos de los tres planetas gigantes internos que pudieran recuperar la oscilación vZLK de Plutón; los tres (Júpiter, Saturno y Urano) eran necesarios", dijo el Dr. Malhotra. "Pero, ¿qué tienen estos planetas que son esenciales para la oscilación vZLK de Plutón?" agregó el Dr. Malhotra. "Se necesitan 21 parámetros para representar las fuerzas gravitatorias de Júpiter, Saturno y Urano en Plutón. Este es un espacio de parámetros prohibitivamente grande para explorar".

 

Para simplificar estos cálculos, el Dr. Malhotra e Ito los fusionaron en un solo parámetro introduciendo algunas simplificaciones. Esto incluía  representar cada planeta con un anillo circular de densidad uniforme, una masa total igual a la del planeta y un radio de anillo igual a la distancia promedio del planeta al Sol (también conocido como semieje mayor). Como indicó el Dr. Malhotra, esto arrojó un único parámetro que representaba el efecto de Júpiter, Saturno y Urano (J2), que era equivalente al efecto de un "Sol achatado".

 

"Descubrimos un arreglo fortuito de las masas y órbitas de los planetas gigantes que delinea un rango estrecho en el parámetro J2 en el que es posible la oscilación vZLK de Plutón, una especie de 'zona de Ricitos de Oro'", dijo. "Este resultado indica que, durante la era de la migración de planetas en la historia del Sistema Solar, las condiciones para los objetos transneptunianos cambiaron de tal manera que promovieron a muchos de ellos, incluido Plutón, al estado de oscilación vZLK. Es probable que la inclinación de Plutón se originó durante esta evolución dinámica".

 

Es probable que estos resultados tengan implicaciones significativas para futuros estudios del Sistema Solar exterior y su dinámica orbital.  Con más estudios, el Dr. Malhotra cree que los astrónomos aprenderán más sobre la historia de la migración de los planetas gigantes y cómo finalmente se establecieron en sus órbitas actuales. También podría conducir al descubrimiento de un mecanismo dinámico novedoso que explicará los orígenes de la órbita de Plutón y otros cuerpos con altas inclinaciones orbitales.

 

Esto será especialmente útil para los astrónomos dedicados al estudio de la dinámica del Sistema Solar. Como señaló el Dr. Malhorta, los investigadores en este campo comenzaban a sospechar que la evidencia que podría arrojar luz sobre la evolución orbital de Plutón podría haber sido borrada por las inestabilidades y la naturaleza caótica de estos mismos mecanismos orbitales. Como resumió el Dr. Malhotra:

 

"Creo que nuestro trabajo genera nuevas esperanzas para establecer una conexión entre la dinámica del Sistema Solar actual y la dinámica histórica del Sistema Solar. El origen de las inclinaciones orbitales de los planetas menores en todo el Sistema Solar, incluidos los TNO, presenta un problema importante sin resolver; quizás nuestro trabajo estimulará más atención a él.

 

"Otro punto que destaca nuestro estudio es el valor de las aproximaciones simples (r) para un problema complicado: es decir, colapsar 21  parámetros en un solo parámetro abrió la puerta para llegar a los mecanismos dinámicos esenciales que afectan la muy interesante pero difícil de entender dinámica orbital de Plutón y Plutinos".

 

Fuente:

https://phys.org/news/2022-04-pluto-orbit-surprisingly-unstable.html