Ciencias Naturales: Sistema Solar

Sistema Solar

El sistema solar es el sistema planetario en el que se encuentran la Tierra y otros objetos astronómicos que giran directa o indirectamente en una órbita alrededor de una única estrella conocida como el Sol.1​

La estrella concentra el 99,75 % de la masa del sistema solar,2​3​4​ y la mayor parte de la masa restante se concentra en ocho planetas cuyas órbitas son prácticamente circulares y transitan dentro de un disco casi llano llamado plano eclíptico.5​ Los cuatro planetas más cercanos, considerablemente más pequeños Mercurio, Venus, Tierra y Marte, también conocidos como los planetas terrestres, están compuestos principalmente por roca y metal.6​7​ Mientras que los cuatro más alejados, denominados gigantes gaseosos o «planetas jovianos», más masivos que los terrestres, están compuestos de hielo y gases. Los dos más grandes, Júpiter y Saturno, están compuestos principalmente de helio e hidrógeno. Urano y Neptuno, denominados gigantes helados, están formados mayoritariamente por agua congelada, amoniaco y metano.8​

Concepción artística de un disco protoplanetario

El Sol es el único cuerpo celeste del sistema solar que emite luz propia,9​ debido a la fusión termonuclear del hidrógeno y su transformación en helio en su núcleo.10​El sistema solar se formó hace unos 4600 millones de años11​12​13​ a partir del colapso de una nube molecular. El material residual originó un disco circunestelar protoplanetario en el que ocurrieron los procesos físicos que llevaron a la formación de los planetas.9​El sistema solar se ubica en la actualidad en la nube Interestelar Local que se halla en la Burbuja Local del brazo de Orión, de la galaxia espiral Vía Láctea, a unos 28 000 años luz del centro de esta.14​

Concepción artística del sistema solar y las órbitas de sus planetas

El sistema solar es también el hogar de varias regiones compuestas por objetos pequeños. El cinturón de asteroides, ubicado entre Marte y Júpiter, es similar a los planetas terrestres ya que está constituido principalmente por roca y metal. En este cinturón se encuentra el planeta enano Ceres. Más allá de la órbita de Neptuno están el cinturón de Kuiper, el disco disperso y la nube de Oort, que incluyen objetos transneptunianos formados por agua, amoníaco y metano principalmente. En este lugar existen cuatro planetas enanos: Haumea, Makemake, Eris y Plutón, el cual fue considerado el noveno planeta del sistema solar hasta 2006. Este tipo de cuerpos celestes ubicados más allá de la órbita de Neptuno son también llamados plutoides, los cuales junto a Ceres, poseen el suficiente tamaño para que se hayan redondeado por efectos de su gravedad, pero que se diferencian principalmente de los planetas porque no han vaciado su órbita de cuerpos vecinos.15​

Adicionalmente a los miles de objetos pequeños de estas dos zonas, algunas docenas de los cuales son candidatos a planetas enanos, existen otros grupos como cometas, centauros y polvo cósmico que viajan libremente entre regiones. Seis planetas y cuatro planetas enanos poseen satélites naturales. El viento solar, un flujo de plasma del Sol, crea una burbuja de viento estelar en el medio interestelar conocido como heliosfera, la que se extiende hasta el borde del disco disperso. La nube de Oort, la cual se cree que es la fuente de los cometas de período largo, es el límite del sistema solar y su borde está ubicado a un año luz desde el Sol.16​

A principios del año 2016 se publicó un estudio según el cual puede existir un noveno planeta en el sistema Solar, al que dieron el nombre provisional de Phattie.17​ Se estima que el tamaño de Phattie es entre el de Neptuno y la Tierra, dicho planeta es de composición gaseosa.

Descubrimientos y exploración

Véanse también: Anexo:Cronología del descubrimiento de los planetas del sistema solar y sus satélites naturales y Exploración del sistema solar.

Nicolás Copérnico

Algunas de las más antiguas civilizaciones concibieron al universo desde una perspectiva geocéntrica, como en Babilonia en donde su visión del mundo estuvo representada de esta forma.18​En Occidente, el griego presocrático Anaximandro declaró a la Tierra como centro del universo, imaginó a esta como un pilar en forma de tambor equilibrado en sus cuatro puntos más distantes lo que, en su opinión, le permitió tener estabilidad.19​Pitágoras y sus seguidores hablaron por primera vez del planeta como una esfera, basándose en la observación de los eclipses;20​ y en el siglo IV a. C. Platón junto a su estudiante Aristóteles escribieron textos del modelo geocéntrico de Anaximandro, fusionándolo con el esférico pitagórico. Pero fue el trabajo del astrónomo heleno Claudio Ptolomeo, especialmente su publicación llamada Almagesto expuesta en el siglo II de nuestra era, el cual sirvió durante un período de casi 1300 años como la norma en la cual se basaron tanto astrónomos europeos como islámicos.

Si bien el griego Aristarco presentó en el siglo siglo III a. C. a la teoría heliocéntrica y más adelante el matemático hindú Aryabhata hizo lo mismo, ningún astrónomo desafió realmente el modelo geocéntrico hasta la llegada del polaco Nicolás Copérnico el cual causó una verdadera revolución en esta rama a nivel mundial,21​ por lo cual es considerado el padre de la astronomía moderna.22​Esto debido a que, a diferencia de sus antecesores, su obra consiguió una amplia difusión pese a que fue concebida para circular en privado; el papa Clemente VII pidió información de este texto en 1533 y Lutero en 1539 lo calificó de «astrólogo advenedizo que pretende probar que la Tierra es la que gira».23​La obra de Copérnico otorga dos movimientos a la Tierra, uno de rotación en su propio eje cada 24 horas y uno de traslación alrededor del Sol cada año, con la particularidad de que este era circular y no elíptico como lo describimos hoy.

En el siglo XVII el trabajo de Copérnico fue impulsado por científicos como Galileo Galilei, quien ayudado con un nuevo invento, el telescopio, descubre que alrededor de Júpiter rotan satélites naturales que afectaron en gran forma la concepción de la teoría geocéntrica ya que estos cuerpos celestes no orbitaban a la Tierra;24​25​ lo que ocasionó un gran conflicto entre la iglesia y los científicos que impulsaban esta teoría, el cual culminó con el apresamiento y sentencia del tribunal de la inquisición a Galileo por herejía al estar su idea contrapuesta con el modelo clásico religioso.26​Su contemporáneo Johannes Kepler, a partir del estudio de la órbita circular intentó explicar la traslación planetaria sin conseguir ningún resultado,27​ por lo que reformuló sus teorías y publicó, en el año 1609, las hoy conocidas leyes de Kepler en su obra Astronomia Nova, en la que establece una órbita elíptica la cual se confirmó cuando predijo satisfactoriamente el tránsito de Venus del año 1631.28​Junto a ellos, el científico británico Isaac Newton formuló y dio una explicación al movimiento planetario mediante sus leyes y el desarrollo del concepto de la gravedad.29​

En 1704 se acuñó el término sistema solar.30​ El científico británico Edmund Halley dedicó sus estudios principalmente al análisis de las órbitas de los cometas.31​32​ El mejoramiento del telescopio durante este tiempo permitió a los científicos de todo el mundo descubrir nuevas características de los cuerpos celestes que existen.33​ A mediados del siglo XX, el 12 de abril de 1961, el cosmonauta Yuri Gagarin se convirtió en el primer hombre en el espacio;34​ la misión estadounidense Apolo 11, al mando de Neil Armstrong llega a la Luna el 16 de julio de 1969. En la actualidad, el sistema solar se estudia con ayuda de telescopios terrestres, observatorios espaciales y misiones espaciales.

Características generales

El Sol

Los planetas y los asteroides orbitan alrededor del Sol, aproximadamente en un mismo plano y siguiendo órbitas elípticas (en sentido antihorario, si se observasen desde el Polo Norte del Sol); aunque hay excepciones, como el cometa Halley, que gira en sentido horario.35​ El plano en el que gira la Tierra alrededor del Sol se denomina plano de la eclíptica, y los demás planetas orbitan aproximadamente en el mismo plano. Aunque algunos objetos orbitan con un gran grado de inclinación respecto de este, como Plutón que posee una inclinación con respecto al eje de la eclíptica de 17º, así como una parte importante de los objetos del cinturón de Kuiper.36​37​

Según sus características, los cuerpos que forman parte del sistema solar se clasifican como sigue:

El Sol, una estrella de tipo espectral G2 que contiene más del 99,85 % de la masa del sistema. Con un diámetro de 1 400 000 km, se compone de un 75 % de hidrógeno, un 20 % de helio y 5 % de oxígeno, carbono, hierro y otros elementos.38​

Los planetas, divididos en planetas interiores (también llamados terrestres o telúricos) y planetas exteriores o gigantes. Entre estos últimos Júpiter y Saturno se denominan gigantes gaseosos, mientras que Urano y Neptuno suelen nombrarse gigantes helados.

Todos los planetas gigantes tienen a su alrededor anillos.

Los planetas enanos son cuerpos cuya masa les permite tener forma esférica, pero no es la suficiente como para haber atraído o expulsado a todos los cuerpos a su alrededor. Son: Plutón (hasta 2006 era considerado el noveno planeta del sistema solar)39​, Ceres, Makemake, Eris y Haumea.

Los satélites son cuerpos mayores que orbitan los planetas; algunos son de gran tamaño, como la Luna, en la Tierra; Ganímedes, en Júpiter, o Titán, en Saturno.

Los cuerpos menores:

Los asteroides son cuerpos menores concentrados mayoritariamente en el cinturón de asteroides entre las órbitas de Marte y Júpiter, y otra más allá de Neptuno. Su escasa masa no les permite tener forma regular.

Los objetos del cinturón de Kuiper son objetos helados exteriores en órbitas estables, los mayores de los cuales son Sedna y Quaoar.

Los cometas son objetos helados pequeños provenientes de la nube de Oort.

Los meteoroides son objetos menores de 50 m de diámetro, pero mayores que las partículas de polvo cósmico.

Montagem Sistema Solar.jpg

El espacio interplanetario en torno al Sol contiene material disperso procedente de la evaporación de cometas y del escape de material proveniente de los diferentes cuerpos masivos. El polvo interplanetario (especie de polvo interestelar) está compuesto de partículas microscópicas sólidas. El gas interplanetario es un tenue flujo de gas y partículas cargadas que forman un plasma que es expulsado por el Sol en el viento solar. El límite exterior del sistema solar se define a través de la región de interacción entre el viento solar y el medio interestelar originado de la interacción con otras estrellas. La región de interacción entre ambos vientos se denomina heliopausa y determina los límites de influencia del Sol. La heliopausa puede encontrarse a unas 100 UA (15 000 millones de kilómetros del Sol).

Los sistemas planetarios detectados alrededor de otras estrellas parecen muy diferentes del sistema solar, si bien con los medios disponibles solo es posible detectar algunos planetas de gran masa en torno a otras estrellas. Por tanto, no parece posible determinar hasta qué punto el sistema solar es característico o atípico entre los sistemas planetarios del universo.

Distancias de los planetas

Las órbitas de los planetas mayores se encuentran ordenadas a distancias del Sol crecientes, de modo que la distancia de cada planeta es aproximadamente el doble que la del planeta inmediatamente anterior, aunque esto no se ajusta a todos los planetas. Esta relación se expresa mediante la ley de Titius-Bode, una fórmula matemática aproximada que indica la distancia de un planeta al Sol, en Unidades Astronómicas (UA):

{\displaystyle a=0,4+0,3\times k\,\!}{\displaystyle a=0,4+0,3\times k\,\!}   

donde {\displaystyle k}k  = 0, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128.

Donde la órbita de Mercurio se encuentra en k = 0 y semieje mayor 0,4 UA, la órbita de Marte es k = 4 a 1,6 UA, y Ceres (el mayor asteroide) es k = 8. En realidad las órbitas de Mercurio y Marte se encuentran en 0,38 y 1,52 UA. Esta ley no se ajusta a todos los planetas, por ejemplo Neptuno está mucho más cerca de lo que predice esta ley. No hay ninguna explicación de la ley de Titius-Bode y muchos científicos consideran que se trata tan solo de una coincidencia.40​

Formación y evolución

Artículo principal: Formación y evolución del sistema solar

El sistema solar se formó hace 4568 millones de años por el colapso gravitatorio de una parte de una nube molecular gigante. Esta nube primigenia tenía varios años luz de diámetro y probablemente dio a luz a varias estrellas.41​ Como es normal en las nubes moleculares, consistía principalmente de hidrógeno, algo de helio y pequeñas cantidades de elementos pesados surgidos de previas generaciones estelares. A medida que la región —conocida como nebulosa protosolar—42​ se convertía en el sistema solar, colapsaba y la conservación del momento angular hizo que rotase más deprisa. El centro, donde se acumuló la mayor parte de la masa, se volvió cada vez más caliente que el disco circundante.41​ A medida que la nebulosa en contracción rotaba más deprisa, comenzó a aplanarse en un disco protoplanetario con un diámetro de alrededor de 200 UA41​ y una densa y caliente protoestrella en el centro.43​44​ Los planetas se formaron por acreción a partir de este disco45​ en el que el gas y el polvo atraídos gravitatoriamente entre sí se unen para formar cuerpos cada vez más grandes. En este escenario, cientos de protoplanetas podrían haber surgido en el temprano sistema solar que acabaron fusionándose o fueron destruidos dejando los planetas, los planetas enanos y el resto de cuerpos menores.

Gracias a sus puntos de ebullición más altos, solo los metales y silicatos podían existir en forma sólida cerca del Sol, en el cálido sistema solar interior; estos fueron finalmente los componentes de Mercurio, Venus, la Tierra y Marte: los planetas rocosos. Debido a que los metales solo eran una pequeña parte de la nebulosa solar, los planetas terrestres no se podían hacer muy grandes. Los planetas gigantes (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) se formaron más lejos, más allá de la línea de congelación: el límite entre las órbitas de Marte y Júpiter donde las temperaturas son lo suficientemente bajas como para que los compuestos volátiles permanezcan sólidos. Los hielos que forman estos planetas eran más abundantes que los metales y silicatos que formaron los planetas terrestres interiores, por lo que los permitió crecer hasta ser lo suficientemente masivos como para capturar grandes atmósferas de hidrógeno y helio: los elementos más ligeros y abundantes. Los residuos restantes que no llegaron a convertirse en planetas se agruparon en regiones como el cinturón de asteroides, el cinturón de Kuiper y la nube de Oort. El modelo de Niza explica la aparición de estas regiones y propone que los planetas exteriores se podrían haber formado en sitios diferentes de los actuales a los que habrían llegado tras múltiples interacciones gravitatorias.

Tras cincuenta millones de años, la densidad del hidrógeno y la presión en el centro de la protoestrella se hicieron tan grandes que comenzó la fusión termonuclear.46​ La temperatura, la velocidad de reacción, la presión y la densidad aumentaron hasta alcanzar el equilibrio hidrostático: la presión térmica igualó a la fuerza de la gravedad. En ese

momento, el Sol entró en la secuencia principal.47​ El tiempo que estará en la secuencia principal será de unos diez mil millones de años; en comparación, todas las fases previas al encendido termonuclear duraron unos dos mil millones de años.48​ El viento solar formó la heliosfera que barrió los restos de gas y polvo del disco protoplanetario (y los expulsó al espacio interestelar), con lo que terminó el proceso de formación planetaria. Desde entonces, el Sol se ha ido haciendo cada vez más brillante; en la actualidad es un 70% más brillante que a su entrada en la secuencia principal.49​

El sistema solar continuará más o menos como lo conocemos hasta que todo el hidrógeno del núcleo del Sol se haya convertido en helio, situación que tendrá lugar dentro de cinco mil millones de años. Esto marcará el final de la estancia del Sol en la secuencia principal. En ese momento el núcleo colapsará y la producción de energía será mucho mayor que en el presente. Las capas exteriores se expandirán unas doscientas sesenta veces su diámetro actual, por lo que se convertirá en una gigante roja. El gran aumento de su superficie hará que esté muchísimo más frío (del orden de 2600 K).48​ Se espera que el Sol en expansión vaporice Mercurio y Venus y vuelva la Tierra inhabitable al mover la zona de habitabilidad más allá de la órbita de Marte. Por último, el núcleo estará lo bastante caliente para fusionar el helio; el Sol quemará helio durante una fracción del tiempo que estuvo quemando hidrógeno. El Sol no tiene la suficiente masa para comenzar la fusión de elementos pesados, por lo que las reacciones nucleares en el núcleo disminuirán. Las capas exteriores se perderán en el espacio en forma de nebulosa planetaria, devolviendo parte del material con el que se formó el Sol —enriquecido con elementos pesados como el carbono— al medio interestelar y dejando atrás una enana blanca con la mitad de la masa original del Sol y el tamaño de la Tierra (un objeto extraordinariamente denso).