En la década de 1990 se detectaron los primeros planetas que orbitan alrededor de otras estrellas y, desde entonces, se han encontrado mundos muy distintos a los de nuestro propio sistema solar: gigantes gaseosos tan pegados a sus estrellas que sus atmósferas están incandescentes, planetas rocosos con océanos de lava o que orbitan alrededor de dos soles e incluso un planeta antiquísimo que se formó sólo 1.000 millones de años después del Big Bang.
Pero, de entre toda esta variedad, un caso que me llama especialmente la atención es el de los supuestos planetas ctónicos, unos cuerpos extremadamente densos que podrían ser los núcleos desnudos de planetas gigantes gaseosos que habrían perdido todo su gas… Así que hoy quería hablar de estos objetos hipotéticos.
No sé, dicho así no me parece tan curioso. Te cierro la ventana, que tengo unos vídeos de gatos en cola y me…
Espera, espera, voz cursiva. Déjame explicarte por qué me parece interesante este asunto.
Si os gusta la astronomía, os sonarán los conceptos de planeta rocoso y gigante gaseoso. Como su nombre indica, los gigantes gaseosos son cuerpos inmensos que están compuestos principalmente por gas (o, al menos, por elementos que estamos acostumbrados a ver en forma de gas en nuestro día a día). Los rocosos, por su parte, están hechos de… Bueno, de roca. Y también tienen un poco de metal en su núcleo.
En nuestro sistema solar, los planetas interiores (Mercurio, Venus, la Tierra y Marte) son rocosos, mientras que los exteriores (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) pertenecen a la categoría de los gigantes gaseosos.
Los gigantes gaseosos son lugares especialmente hostiles para los seres vivos que nos hemos malacostumbrado a vivir en un mundo sólido porque, más allá de su inmenso tamaño, estas enormes bolas de gas tienen la particularidad de que no poseen una superficie.
Espera, espera. ¿Me quieres decir que podría precipitarme grácilmente entre las nubes de un gigante gaseoso y sentir cómo la brisa acaricia mi cara durante la caída de centenares de miles de kilómetros que me llevaría hasta el centro del planeta?
Más bien no, voz cursiva. En primer lugar, porque no tienes cara, pero, incluso aunque tuvieras cuerpo, morirías mucho antes de llegar al núcleo del planeta si te dejaras caer en su atmósfera.
Esto se debe a que, en general, los gigantes gaseosos son muchísimo más masivos que los planetas rocosos. Por ejemplo, Júpiter tiene una masa 318 veces mayor que la de la Tierra, pero los gigantes gaseosos más grandes pueden llegar a alcanzar una masa hasta 75 u 80 veces superior a la de Júpiter (aunque a esas alturas ya rozan la frontera de las estrellas enanas marrones, como explicaba aquí).
Como resultado, por muy poética que sea la idea de un mundo que es casi todo cielo, la realidad es que el interior de los gigantes gaseosos está tan comprimido por el peso de su propia masa que el gas que contienen está licuado y a muy alta temperatura. O sea, que, como expliqué en esta otra entrada, casi todo el volumen de un gigante gaseoso se encuentra en estado líquido, no en forma de gas (exceptuando la capa más externa de su atmósfera).
De hecho, la presión en las profundidades más oscuras de los gigantes gaseosos es tan alta que en ellas se forma hidrógeno metálico. Eso sí, pese a lo que sugiere su nombre, no se trata de un estado en el que este elemento se convierta literalmente en un metal, porque sigue siendo líquido, sino que simplemente se convierte en un fluido que conduce muy bien la electricidad.
Total, que caer a través de la atmósfera de un gigante gaseoso no sería una experiencia demasiado agradable: durante la caída, la temperatura y la presión irían aumentando a nuestro alrededor y quedaríamos aplastados y/o vaporizados muchísimo antes de alcanzar el núcleo del planeta. Para que te hagas una idea de lo corto que sería nuestro viaje, la sonda Galileo se zambulló en la atmósfera de Júpiter al final de su misión y se perdió el contacto con ella a una profundidad de sólo 146 kilómetros, donde la temperatura rondaba los 150ºC y la presión era de 22 atmósferas. En comparación, Júpiter tiene un radio de 70.000 kilómetros.
Vale, vale… Borraré a Júpiter de mi lista de viajes. Pero, ¿en serio no existe ninguna superficie sólida bajo la densa atmósfera de un planeta gaseoso? ¿No tiene un núcleo macizo o algo así?
Efectivamente y no, voz cursiva. Para variar, la cuestión tiene matices.
Como decía en esta otra entrada, según las teorías de formación planetaria actuales, los gigantes gaseosos deberían contener un núcleo rocoso porque todos los planetas empiezan su vida de la misma manera: a partir de la unión de los granos de polvo de la nebulosa presolar, que van formando fragmentos de roca cada vez más grandes hasta que acumulan bastante masa para ser considerados planetas rocosos.
Si el planeta rocoso en cuestión se encuentra cerca de su estrella, su crecimiento se detendrá en este punto y ahí se acabará la historia. Pero, como explicaba en este artículo, el gas se condensa con más facilidad en las regiones exteriores y frías de un sistema solar, así que los planetas rocosos que se encuentran más lejos de su estrella podrán seguir creciendo mientras atraen ese gas y lo empiezan a acumular sobre su superficie. Si el planeta es lo bastante masivo y tiene suficiente gas a disponible a su alrededor, formará una atmósfera cada vez más gruesa y espesa y terminará por convertirse en una inmensa bola de gas comprimido con un núcleo de roca… O, lo que es lo mismo, en un gigante gaseoso.
Vale, pues entonces los gigantes gaseosos sí que tienen una superficie: el núcleo rocoso sobre el que descansa su gigantesca «atmósfera».
No exactamente. Aunque no he encontrado ninguna fuente que hable de esto con detalle, sospecho que es improbable que exista una frontera bien definida entre la capa de hidrógeno líquido y el núcleo rocoso de un gigante gaseoso, dadas las condiciones extremas de presión y temperatura que se dan alrededor del núcleo. En su lugar, seguramente se trate de un cambio gradual en el que en ningún momento exista una «superficie» como tal.
Pero, bueno, el asunto es que la presión ejercida por el propio peso de un gigante gaseoso sobre su centro es tan intensa (entre 30 y 40 millones de atmósferas, en el caso de Júpiter) que incluso su núcleo rocoso se termina comprimiendo.
¿Pero cómo vas a comprimir un objeto sólido? ¡No puedes hacer que una cosa sólida ocupe menos espacio!
Vaya si se puede, voz cursiva, pero se necesita una presión tremenda.
Como comenté en mi último vídeo, la densidad de una sustancia depende de la cantidad de átomos que quepan en un volumen determinado y de la masa de cada átomo. Por tanto, cuanto más pequeños y masivos sean los átomos de un elemento, más denso será.
Bajo condiciones de presión tan extremas, las órbitas de los electrones se comprimen y el diámetro de los átomos disminuye. Como resultado, la masa de los átomos termina comprimida en un espacio más pequeño y, por tanto, su densidad aumenta (es un fenómeno parecido al que ocurre en el interior de las estrellas enanas blancas, que comentaba en esta entrada).
Para hacernos una idea del efecto que tiene la presión sobre la densidad del núcleo de los planetas, usemos como ejemplo el hierro y el níquel, que tienen una densidad de 8 y 9 kilogramos por litro en condiciones normales. Eso significa que, si cogemos dos botellas de agua y llenamos una de hierro y otra de níquel, esas botellas pesarán 8 y 9 kilos, respectivamente.
El núcleo de la Tierra también está compuesto por una mezcla de hierro y níquel, pero su densidad ronda los 12 kilos por litro, una densidad más parecida a la del plomo que a la del propio hierro o el níquel en condiciones normales. Pero, ¿cómo puede ser que estos dos metales sean más densos en el núcleo del planeta, que sobre su superficie? Pues porque, en el núcleo, los átomos de estos elementos ocupan menos espacio porque están comprimidos por la presión.
En el núcleo de los gigantes gaseosos, el efecto es aún más exagerado. En el caso de Júpiter, la presión a la que está sometido su interior es tan alta que el material sólido de su núcleo tiene una densidad estimada de unos 25 kilogramos por litro. Para que os hagáis una idea de la magnitud de la que estamos hablando, el elemento más denso de la tabla periódica, el osmio, tiene 22 kilogramos por litro en condiciones normales.
Así que quedaos con este detalle: los gigantes gaseosos tienen núcleos sólidos extremadamente densos. Voy a responder de una vez la pregunta del título.
Resulta que en 2012 se anunció el descubrimiento de tres exoplanetas que tienen unas características bastante peculiares: su diámetro es más o menos el doble del de la Tierra, pero tienen masas entre 30 y 100 veces mayores. O sea, que la densidad global de estos tres planetas ronda entre los 20 y los 70 kilogramos por litro, mucho mayor que si todo su volumen estuviera compuesto por hierro.
Esto es bastante desconcertante porque el tamaño de estos planetas sugiere que son mundos rocosos, pero no existe ningún mecanismo que pueda proporcionar una densidad tan alta a este tipo de planetas. De hecho, aunque el núcleo metálico de un planeta rocoso pueda ser muy denso, está rodeado de un manto de roca mucho más ligero que reduce la densidad global del objeto a entre los 3 y los 6 kilos por litro. La Tierra, por ejemplo, tiene una densidad media de 5,51 kilos por litro.
Por tanto, como en principio no existe un mecanismo que explique esta densidad tan alta, se ha propuesto que estos planetas extremadamente densos podrían ser los núcleos «desnudos» de unos antiguos planetas gaseosos o, lo que es lo mismo, lo que quedaría después de que un gigante gaseoso pierda todo su gas.
No sé, no me convence la idea, ¿cómo se le puede quitar la atmósfera a un gigante gaseoso?
Pues de la misma manera que se la quita a un planeta rocoso normal y corriente: con viento solar y radiación ultravioleta.
Por un lado, las estrellas emiten una corriente de partículas cargadas al espacio en todas las direcciones y de manera constante llamada viento solar. El sol no es una excepción y nuestro planeta está siendo azotado por este viento constantemente, pero, por suerte, la Tierra tiene un campo magnético que desvía estas partículas y el único efecto que tiene el viento solar sobre nuestras vidas es la formación de auroras boreales.
Pero otros planetas rocosos no tienen la suerte de tener un campo magnético, así que su interacción con el viento solar no es tan romántica. Sin un campo magnético, el viento solar interacciona directamente con la atmósfera de un planeta y la arrastra poco a poco al espacio. De hecho, la atmósfera de Marte casi ha desaparecido desde que se formó y Venus también está perdiendo la suya, precisamente porque ninguno de los dos tiene un campo magnético.
A este proceso de pérdida atmosférica también contribuye la radiación ultravioleta de las estrellas, que calienta e ioniza las moléculas de gas de la atmósfera, aumentando las probabilidades de que escapen al espacio.
Total, que se cree que eso es precisamente lo que les habría ocurrido a los planetas ctónicos: serían los restos de unos gigantes gaseosos que orbitaban demasiado cerca de su estrellas y cuyas atmósferas habrían sido arrancadas por el intenso viento solar y la radiación ultravioleta, dejando sus núcleos rocosos y compactos al descubierto.
Ahora bien, ¿cómo sería la superficie de un planeta que había estado enterrado en las profundidades de una atmósfera de decenas de decenas de miles de kilómetros de espesor, en contacto con hidrógeno líquido a alta temperatura? Por desgracia, no he encontrado ninguna referencia al respecto. De lo único que no hay duda es que la gravedad sobre un planeta tan compacto sería mucho más intensa que en la Tierra (entre 7 y 25 veces mayor, en el caso de los tres planetas que había comentado).
En cualquier caso, la existencia de los planetas ctónicos es perfectamente factible e incluso se han descubierto gigantes gaseosos que están perdiendo poco a poco su atmósfera. Aun así, aunque la hipótesis está bien fundamentada, también sería posible que la naturaleza de los planetas densos que se han encontrado hasta ahora sea distinta o que se tratara un error en las mediciones. Ya sé que no es una conclusión muy emocionante para terminar el artículo que se ha ido tanto por las ramas, pero así funciona la ciencia.
15 comentarios
Una pregunta, si los sistemas estelares se forman a partir de nubes de hidrógeno y restos anteriores sistemas. Significa que el big bang lo que hizo fue literalmente desparramar partículas que formaron una nube inconmensurable de hidrógeno que por gravedad fué haciendo cúmulos?
En el Big Bang lo que sucedió fue que se «crearon» partículas elementales (quarks, electrones, etc…), las cuales fueron uniéndose después para formar partículas mas grandes como neutrones y protones los cuales se unieron después con los electrones para formas átomos. Y como el átomo más simple es el del hidrógeno (1 proton y 1 electron) entonces es por eso que es el elemento mas abundante del universo. De cualquier forma puedes buscar un artículo de Jordi sobre el Big Bang para que comprendas mejor.
Una vez que pierden su atmósfera de gas, poco a poco, no debería expandirse el núcleo a valores más normales desde el punto de vista terráqueo?
Te remito a la respuesta al comentario de Néstor!
Si el núcleo de los planetas gaseosos es tan denso debido a la masa de sus «atmósferas» ¿no debería esta disminuir al perder sus atmosferas y quedar más ligeros, dilatándose en el proceso? ¿No son de 20 a 70 Kg/l demasiados para deberse sólo a la atracción gravitatoria de dichos planetas?
Exacto, los planetas ctónicos se van descomprimiendo con el tiempo, pero, de todas maneras, se especula que podrían mantenerse compactos durante miles de millones de años después de perder su atmósfera. No he encontrado cifras claras al respecto, así que he preferido no añadirlo en la entrada.
Genial entrada, Jordi. No conocía este tipo de planetas.
Siempre es un placer leer tus explicaciones.
Se llegó a sugerir que Mercurio podría ser un planeta ctonico. Porque es bastante denso. Aunque creo que no se ha incidido en dicha cuestión. Supongo que no es muy probable.
Pero eso iría en contra del postulado que los gigantes gaseosos se forman en las lejanías de sus respectivas estrellas, tal como es aseverado en este artículo
Pero no va en contra de la teoría sobre el cambio en las órbitas de los planetas. Muchos sistemas extrasolares tienen gigantes gaseosos con órbitas mucho mas pequeñas que la de Mercurio. De hecho creo que el ejemplo que puso Jordi en éste artículo del sistema con 3 planetas ctónicos puede ser un ejemplo de esto, si abres el enlace que puso verás que los planetas tienen periodos orbitales de muy pocos días, es decir, están muy cerca de su estrella a pesar de que se considera que alguna vez fueron giganets gaseosos.
Me parece que has patinado un poco aquí;
«pero los gigantes gaseosos más grandes pueden llegar a alcanzar una masa hasta 75 u 80 veces superior a la de Júpiter (aunque a esas alturas ya rozan la frontera de las estrellas enanas marrones, como explicaba aquí).»
Esa frontera (75, 80 masas jovianas) me parece que ya sería la de una Enana Roja. La frontera a la que tu haces mención, la de las enanas marrones, está en unas 13 masas jovianas.
Tengo una pregunta, si mal no tengo entendido los planetas gaseosos tienden a tener campos magneticos inmensos como el ejemplo de jupiter y los campos magneticos protejen al planeta del viento solar. Con esto se me vienen a la mente varias cosas: planetas ctonicos son planetas que estaban extremadamente cerca de sus estrellas y ni sus escudos magneticos pudieron protegerlos??? o quizas existen gigantes gaseosos que por equis razon no tienen un campo magnetico considerable??? o todos los planetas gaseosos pueden terminar como ctonicos, solo que es un proceso muy lento??? y que tal si su estrella se convierte en supernova y arranca su atmosfera… saludos desde Venezuela
Hola Jordi, gracias por un nuevo e interesante artículo.
Me han surgido algunas dudas al respecto. Por un lado, indicas que el tamaño de estos planetas es considerablemente mayor al de la tierra, y los núcleos de los gigantes gaseosos son habitualmente «pequeños», así que si fuera el caso (ser núcleos de antiguos gigantes gaseosos), estaríamos hablando de que estos planetas originalmente serían realmente enormes en su estado inicial gaseoso, ¿no es así?
Por otro lado, encontré este artículo desde el de las enanas blancas. En ese artículo comentabas el hecho de que si lograras llevarte una cantidad de la estrella, debido a su estado comprimido, tendrías una explosión increíble debido a que los átomos volverían a un estado de no compresión de forma violeta. Aunque hablamos de núcleos sólidos-rocosos, en el caso de la pérdida de la atmósfera no se recuperaría el estado de átomos no presionados, aumentando el tamaño, bajando la densidad y/o habría habido una explosión o fragmentación del planeta?
Respondí a este cuestión en el comentario de Néstor: la compresión de un planeta ctónico no es tan bestia como la de una enana blanca o la de una estrella de neutrones. En principio, los planetas ctónicos se irían descomprimiendo lentamente.
Gracias por el post!
Recientemente – durante mis vacaciones- me incribí a un tour astronómico en el norte de Chile, y que vá! quedé enganchado con esta area de la cual yo era -espero no serlo ahora- totalmente ajeno.
Excelente blog, explicaciones claras!