Francis en ¡Eureka!: Hay agua helada en los polos del planeta Mercurio

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Puedes escuchar el audio “Agua en Mercurio” de mi intervención de ayer en la sección ¡Eureka! del programa La Rosa de los Vientos, en Onda Cero, siguiendo este enlace. Como siempre, una versión por escrito más detallada.

La NASA ha anunciado esta semana que hay agua helada en Mercurio, el planeta más cercano al Sol. Parece imposible que haya hielo, ya que este planeta debería estar muy caliente por estar muy cerca del Sol. Mercurio es un planeta de extremos térmicos. Un día en Mercurio tiene una duración de unos 58,6 días terrestres. En el Ecuador del planeta se alcanzan temperaturas diurnas máximas de 700 K (unos 427 ºC) y en los polos las temperaturas nocturnas mínimas pueden bajar hasta los 50 K (unos –223 °C, bajo cero). El eje de rotación del planeta Mercurio está muy poco inclinado, por ello hay cráteres en los polos que tienen laderas que siempre están en sombra y que han estado en sombra durante cientos de millones de años. Estas zonas en sombra permanente tienen temperaturas máximas diurnas de unos 100 Kelvin (unos –170 ºC bajo cero). En estos cráteres se ha encontrado agua en forma de hielo.

La historia del agua en Marte ha sido como el cuento del lobo. Las primeras pruebas se obtuvieron hace 40 años por las Viking, pero ha habido varios anuncios recientes de agua en Marte en los últimos años. ¿Ha pasado algo parecido con Mercurio? Más o menos ha pasado lo mismo. Las primeras señales que apuntaban a que pudiera haber agua en forma de hielo en los cráteres polares de Mercurio que están en sombra de forma permanente fueron obtenidas hace 20 años por el radiotelescopio de Arecibo (en Puerto Rico). Había opiniones a favor y en contra, por ello la NASA dotó a la sonda espacial MESSENGER, que orbita alrededor del planeta Mercurio desde dos años, de varios instrumentos de medida para confirmar o refutar la existencia de agua helada en Mercurio. Esta semana se han publicado tres artículos en la revista Science que en conjunto ofrecen pruebas casi indiscutibles, pero indirectas, de la presencia de agua helada. Como es obvio, la prueba definitiva que nos permita estar seguros al 100% requiere aterrizar en Mercurio y comprobarlo in situ.

¿Qué medidas se han realizado para descubrir agua helada en los polos de Mercurio? Se han utilizado varios instrumentos. El más importante ha sido el espectrómetro de neutrones que se utiliza para medir la presencia de hidrógeno. Los neutrones se generan a varios metros de profundidad cuando los rayos cósmicos (protones) chocan contra el planeta. El hidrógeno es el mejor absorbedor de neutrones conocido y por lo que un espectrómetro de neutrones busca la firma de hidrógeno cerca de la superficie mediante la búsqueda de disminuciones en el flujo de neutrones procedentes del planeta. No es una medida directa del agua, pero el hidrógeno es el principal constituyente del H2O. Como a temperaturas por encima de 20 K el hidrógeno es gaseoso, detectar hidrógeno en la superficie de un planeta es una señal de la existencia de agua helada. El espectrómetro de neutrones de MESSENGER muestra abundante hidrógeno en el polo norte de Mercurio y la cantidad de hidrógeno observada corresponde a depósitos polares con un grosor entre 0,5 y 20 metros de hielo de agua.

Qué otros instrumentos se han usado y qué se ha observado gracias a su uso. En los cráteres en los polos se ha medido la topografía gracias al altímetro láser; se mide el tiempo que tarda un pulso de luz láser que viaja hasta el planeta, se refleja y retorna a la sonda espacial. Se ha observado que la parte de los cráteres de impacto del polo norte que están en sombra permanente tienen laderas más suaves que la parte que no está en sombra, lo que indica que hay algún depósito de algo y como se observa la señal del hidrógeno gracias a los neutrones, se piensa que tiene que ser agua helada. También se ha medido la temperatura del suelo. La medida del color (la reflectividad) de los depósitos de hielo mediante el láser indican hay una capa de entre 10 y 20 centímetros que actúa como una manta térmica (aislando y protegiendo el hielo que hay debajo). Este otro material es menos abundante en hidrógeno que el agua, por lo que se cree que podrían ser sustancias orgánicas.

¿Cómo han llegado a Mercurio estas sustancias (agua y orgánicas)? La hipótesis más razonable es que el agua y la materia orgánica oscura son depositados por los impactos en Mercurio de cometas y asteroides ricos en materias orgánicas y volátiles (como el hielo de agua). Estos son objetos muy comunes en el sistema solar. Muchos tienen órbitas que les acercan mucho al Sol y es inevitable que muchos hayan impactado. Las “trampas” frías de Mercurio recolectan material cometario que fue expulsado durante el impacto de cometas de los asteroides ricos en materia orgánica en la superficie de Mercurio.

¿Qué es lo que nos ayuda a entender el saber que Mercurio es un planeta que tiene agua en forma de hielo? Esta investigación es muy relevante para la cuestión de dónde viene el agua de la Tierra primitiva. Mercurio, como la Luna o Marte son testigos de la historia pasada del sisstema solar y nos permiten entender los procesos que le pudieron ocurrir a la Tierra primitiva. Los cometas del cinturón de Kuiper que rodea el Sistema Solar contienen gran cantidad de agua helada, por ello se espera poder encontrar agua en todos los planetas del sistema solar. También se espera que haya agua en muchos exoplanetas pues muchas estrellas tienen cinturones de cometas con agua helada. En la zona habitable de muchos soles debe haber planetas con océanos de agua líquida.

Por ejemplo, el observatorio espacial Herschel de la ESA ha observado cinturones de comentas en los sistemas planetarios cercanos Gliese 581 (que hospeda al menos 4 planetas, entre ellos una supertierra en la zona habitable) y 61 Virginis (que hospeda al menos 2 planetas). Sus cinturones de cometas contienen unas 10 veces más cometas que el cinturón de Kuiper del Sistema Solar, con hielo de agua a unos 200 grados Celsius bajo cero, por lo que se cree que alguno de sus planetas puede contener océanos de agua. Estos sistemas planetarios no tienen planetas de tipo Júpiter y se cree que ausencia explicaría por qué sus cinturones de cometas son mucho más densos que el nuestro. Más info en “Los cinturones de cometas apuntan a la existencia de exoplanetas con océanos,” Feelsynapsis Nov. 29, 2012; “Do missing Jupiters mean massive comet belts?,” ESA News, 27 November 2012; “Herschel Finds a Clue to How Planetary Systems Form and Evolve,” SciTechDaily, November 27, 2012.

Lo dicho, si no has oído aún el audio de mi sección ¡Eureka!, ahora es el momento de hacerlo, sigue este enlace.

Messenger (NASA) encuentra agua helada en los polos de Mercurio


Hoy se publican en Science Express tres artículos que muestran una evidencia muy firme para la existencia de agua en forma de hielo en los cráteres que se encuentran en sombra de forma permanente en los polos del planeta Mercurio; se cree que el origen de esta agua líquida está en los impactos de cometas y asteroides ricos en elementos volátiles. Estos tres resultados han sido obtenidos gracias al satélite Messenger de la NASA. El espectrómetro de neutrones de Messenger ha medido los neutrones de alta energía que se producen bajo la superficie del planeta a partir de los rayos cósmicos que inciden sobre el planeta; se ha observado un déficit de neutrones en los cráteres en sombra y se cree que es debido a su absorción por agua helada. Las medidas por radar indican zonas brillantes asociadas a la presencia de hidrógeno, lo que apunta a que el hielo está recubierto de una fina capa de hidrógeno. Las medidas topográficas indican que la distribución de hielo es estable, lo que indicaría que el hielo se acumula en las regiones permanentemente en sombra. Más información en la página web de Messenger. Los tres artículos técnicos son David J. Lawrence et al., “Evidence for Water Ice Near Mercury’s North Pole from MESSENGER Neutron Spectrometer Measurements,” Science Express, Nov. 29, 2012 [DOI], Gregory A. Neumann et al., “Bright and Dark Polar Deposits on Mercury: Evidence for Surface Volatiles,” Science Express, Nov. 29, 2012 [DOI], y David A. Paige et al., “Thermal Stability of Volatiles in the North Polar Region of Mercury,” Science Express, Nov. 29, 2012 [DOI].

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¿Es estable el Sistema Solar? (o Mercurio y Venus colisionarán, y Marte abandonará el Sistema Solar, según simulaciones numéricas)

¿Cómo puede evolucionar el Sistema Solar en el futuro? ¿Cuáles son las posibilidades de que los planetas sufran una inestabilidad orbital antes de que el Sol se vuelva una estrella gigante roja y destruya la Tierra? En tres palabras: alrededor del 1%. Así se indica en el artículo de Konstantin Batygin, Gregory Laughlin, “On the Dynamical Stability of the Solar System,” ArXiv preprint, 11 Apr 2008. El artículo es técnico, pero está magistralmente comentado en (el blog del propio Laughlin) “It won’t last forever…,” que resume los puntos más importantes del trabajo de Batygin sobre la estabilidad a largo plazo del Sistema Solar y sobre todo de su motivación (Konstantin es el alumno y Gregory el profesor).

La respuesta a estas preguntas requiere estudiar numéricamente la evolución de los 8 planetas (no se tienen en cuenta los planetas enanos ni demás cuerpos de menor tamaño) en integraciones de largo tiempo. Hoy en día, cualquier ordenador PC permite realizar simulaciones de los 8 planetas en tiempos más largos que la vida del Sol (antes de que se convierte en gigante roja, dentro de unos 6 mil millones de años) y Batygin lo ha hecho para los próximos 24 mil millones de años (mucho más allá de lo necesario). La siguiente figura muestra la excentricidad de la órbita terrestre durante los próximos 20 mil millones de años, mostrando que su órbita prácticamente no cambia (variaciones entre e=0 y e=0.07). Un resultado claramente aburrido.

Las simulaciones numéricas desarrolladas por Batygin incluyen la adición de un término perturbativo singular, desarrollado previamente por Laskar gracias al análisis de la simulación hacia atrás en el tiempo (técnica de análisis de bifurcaciones para sistemas “caóticos” hamiltonianos), que permite modelar mejor la existencia de resonancias entre el movimiento de los planetas. En concreto una resonancia entre Mercurio y Júpiter, mediada por Venus, conduce a un comportamiento de Mercurio muy errático. Como vemos en esta figura.

Este comportamiento conduce a interesantes sorpresas. En una simulación Mercurio cae en el Sol dentro de 1261 millones de años (Ma). En otra, Mercurio y Venus colisionan dentro de unos 862 Ma, tras la eyección de Marte fuera del Sistema Solar dentro de 822 Ma. (como vemos en la figura de abajo). En todas las simulaciones Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno se mantendrán estables.

Más en broma que en serio, semiramis nos recuerda que “Venus no soporta que Mercurio (dios mensajero) le chive sus idilios a Marte (amante de la primera pero también cornudo) y razón por la cual éste último se pira del sistema solar. ¿Y para esa conclusión tanto cálculo numérico?”.

PS (5 ene 2013): Una versión actualizada de esta entrada, que merece la pena leer: Daniel Marín, “¿Puede Marte chocar contra la Tierra?,” Eureka, Ene. 03, 2013.