Juegos gravitatorios: Circo Saturno

David Galadí-Enríquez / 17-09-2009

A lo largo de la serie de artículos “Juegos gravitatorios” hemos tratado de proporcionar unas pinceladas novedosas acerca de la gravitación y los efectos curiosos e inesperados que induce en nuestro entorno, bien sea cotidiano (caídas, mareas…) o astronómico (citas espaciales, ingravidez…). Algunos de los efectos descritos sólo se han podido observar en la práctica gracias al lanzamiento de objetos artificiales. Así, para experimentar la ingravidez de manera prolongada hay que viajar en una nave espacial, y para comprobar las propiedades de los puntos de Lagrange L1 y L2 se deben enviar satélites y sondas a esas regiones del espacio.

Sin embargo, muchos otros cuentan con ejemplos naturales excelentes: las mareas oceánicas terrestres, los asteroides troyanos, el desmembramiento del cometa Shoemaker-Levy 9 en 1994... Pero existe un lugar en el Universo que parece puesto ahí arriba para hacer las delicias de la mecánica celeste, un reino en el que se han descubierto los ejemplos más extraños de interacción gravitatoria, una especie de circo donde se exhiben rarezas exóticas y se ejecutan números de acrobacia gravitatoria que parecen imposibles. Ese lugar es Saturno.

Pensar en Saturno es pensar en sus anillos, un rasgo maravilloso que visto al telescopio muestra una simetría tan perfecta que parece artificial. Los anillos dejaron perplejo a Galileo hace 400 años y todavía hoy fascinan a cualquier persona que los contemple por primera vez. El planeta aparece como una esfera de color crema, bastante achatada por los polos y rodeada de un anillo blanco plano que no lo toca en ningún punto. ¿De qué está hecho este espectáculo? Hace siglos que se sabe que los anillos saturnianos no pueden ser un objeto sólido porque esta configuración resultaría inestable desde el punto de vista gravitatorio y el sistema se hundiría en cuestión de horas. En realidad consisten en una miríada de objetos pequeños, desde aquellos que miden unos metros hasta los que tienen la dimensión de una mota de polvo. Cada partícula de esta multitud sigue su propia órbita alrededor del planeta. ¿Por qué hay allí unos anillos?

Las teorías actuales de formación de planetas y satélites indican que el material disperso en el entorno del Sol o de los planetas se agregó en cuerpos compactos. Según esta idea, quizá cabría esperar que el material que conforma los anillos de Saturno terminara por constituir un objeto único, un satélite natural. Pero recordemos algunos de los conceptos explicados en el artículo "Otra visión de las mareas". Las fuerzas de marea ejercidas por un planeta (por ejemplo, Saturno) se tornan mucho más intensas cuanto más nos acercamos a su centro, y hay una región en el entorno de cada astro donde las fuerzas de marea adquieren tal vigor que disgregan los objetos poco consistentes que atraviesen la zona, como le ocurrió al cometa Shoemaker-Levy 9 cuando se aproximó a Júpiter. Del mismo modo, si se colocara una nube de material disperso dentro de esa región, las fuerzas de marea impedirían que se agregara y conformara una aglomeración compacta. Esa zona prohibida se suele llamar límite de Roche.

Los anillos de Saturno representan, quizá, los restos de un objeto que se aproximó demasiado al planeta hace tiempo, rebasó el límite de Roche y se desintegró. Sus escombros vagan ahora en torno a él sin posibilidad de volver a compactarse jamás. Poco a poco se irán disipando y parece probable que en un futuro distante Saturno pierda los vistosos anillos que ahora lo adornan. De ellos quedará, a lo sumo, un residuo tenue y discreto semejante a los sistemas anulares que poseen los otros planetas gigantes.

Ilustran, los anillos de Saturno, a una escala colosal el efecto de las mareas, un fenómeno natural al que estamos bien acostumbrados en la Tierra. Pero el circo saturniano brinda otros espectáculos que se nos antojan mucho menos "naturales". En efecto, el sexto planeta del Sol ofrece el único ejemplo natural conocido de cita en órbita.

En el artículo de esta serie titulado justamente así, "Cita en órbita", se describían las complejas maniobras que deben ejecutar las naves espaciales tripuladas para encontrarse en el espacio o para cambiar de órbita. A poco más de 150.000 km de Saturno hay dos pequeños mundos, Jano y Epimeteo, que llevan ya millones de años jugando a la cita espacial. Vamos a adentrarnos un poco en este caso tan sorprendente.

Jano y Epimeteo son bloques de hielo de unos 150 y 100 km de diámetro aproximado, respectivamente. Giran en torno a su planeta en órbitas casi idénticas, alejados de su centro a distancias que difieren en apenas 50 km. Supongamos, para que las ideas estén claras, que en la configuración de partida Jano está más cerca de Saturno, mientras que Epimeteo sigue una órbita 50 km más elevada. De acuerdo con los principios explicados en el artículo "Cita en órbita", el satélite interno recorre su órbita más rápidamente. Por lo tanto es solo cuestión de tiempo que Jano termine por acercarse a Epimeteo desde detrás. Y como cada uno de estos satélites mide más de 100 km, ¡la colisión parece asegurada!

Sin embargo, cuando ambos astros se aproximan ejercen una atracción gravitatoria mutua, uno sobre el otro. Jano tira de Epimeteo hacia atrás, tiende a frenarlo. Epimeteo tira de Jano hacia delante, tiende a acelerarlo. Al hablar de las maniobras de las naves espaciales vimos que si un objeto situado en órbita es frenado, entonces está obligado a pasar a una órbita inferior, y a continuación, de manera automática, emprende el recorrido de esa órbita más baja con una velocidad mayor que la inicial. Por lo tanto el encuentro hace que Epimeteo frene, descienda y acto seguido inicie un camino más veloz por la órbita de abajo. Y recíprocamente Jano, que se ve acelerado, pasa a una órbita superior y se pone a recorrerla más lentamente. Como resultado del encuentro no se produce un choque, sino que los dos satélites naturales intercambian posiciones. Jano pasa de la órbita baja a la superior, y Epimeteo de la superior a la baja. Y desde ese momento se reemprende la persecución, pero esta vez con Epimeteo como galgo y Jano en el papel de liebre.

Esta danza inverosímil da lugar a una cita espacial con intercambio de órbitas cada cuatro años. Lo que parecía una colisión ineludible se convierte en una mera aproximación que hace que los dos objetos no lleguen a distar entre sí menos de 10.000 km. En el curso de este trance cualquiera de los dos satélites alcanza un tamaño aparente en el firmamento del otro que no supera el doble del diámetro que muestra nuestra Luna en el cielo de la Tierra. Llamativo, aunque no aterrador.

Otro ejemplo curioso de interacción gravitatoria en el sistema de Saturno se refiere a los satélites llamados "troyanos". En el artículo "Tres son multitud" se comentó el caso de los asteroides que viven atrapados en los puntos lagrangianos L4 y L5 del sistema Sol-Júpiter. Saturno posee dos satélites naturales de tamaño grande (unos 1.000 km cada uno), Tetis y Dione, cada uno de los cuales cuenta con sus propios "troyanos". En la misma órbita de Tetis, a casi 300.000 km del centro de Saturno, pero sesenta grados por delante (en el punto L4) circula el minúsculo Telesto (20 km). Y en una posición análoga, pero por detrás (punto L5) se desplaza Calipso (de un tamaño similar al de Telesto). Estos dos "troyanos" de Tetis ocupan posiciones estables y desde cualquiera de ellos se debe poder contemplar un firmamento singular, con Saturno colgado siempre en el mismo lugar del cielo y el brillante disco de Tetis ocupando también una posición fija y siendo equivalente a un tercio del tamaño aparente de la Luna en el cielo de la Tierra.

Una situación análoga se da en el caso de Dione, cuya órbita dista casi 380.000 km del planeta. Sesenta grados por delante de Dione circula Helena, de 30 km de diámetro. Y por detrás se mueve el minúsculo Polideuco, de apenas 4 km de diámetro, que fue descubierto hace poco tiempo, en 2004.

Hasta aquí las atracciones del circo gravitatorio de Saturno que guardan relación directa con los temas tratados en esta serie de artículos. Pero el espectáculo no termina aquí. Este planeta ofrece al público prodigios gravitatorios tan sorprendentes como los siguientes:

  • Pasen y vean al acróbata Hiperión, condenado a rotación caótica por toda la eternidad.
  • No se pierdan las habilidades de los minúsculos satélites pastores, encargados de confinar y encauzar las partículas de algunos de los anillos del planeta, un proceso que induce espectaculares ondulaciones y deformaciones en los mismos.
  • Y por supuesto no hay que dejar de ver la multitud de fenómenos gravitatorios relacionados con los anillos, desde las resonancias y las ondas hasta la acreción de material sobre ciertos satélites, que adoptan una forma de platillo volante.

El recordado Arthur C. Clarke ambientó parte de su novela 2001: una odisea del espacio en los orbes de Saturno cuando aún no se habían descubierto todos sus atractivos. Este autor reparó sobre todo en un efecto extraño relacionado con el satélite Japeto, que parece estar vinculado a la mecánica orbital. Cuando años después de la publicación de la novela se confeccionó el guion cinematográfico, el viaje de la nave Discovery se trasladó a Júpiter. La nave quedaba al final varada en uno de los puntos lagrangianos del sistema Júpiter-Ío. No era una mala opción, aunque a la vista de lo que hoy se sabe sobre Saturno y sus satélites, el mundo anillado constituiría sin duda un destino turístico mucho más atractivo que Júpiter, al menos para viajeros aficionados a los juegos gravitatorios...

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Multimedia

  • HiperiónHiperiónZoom sobre Hiperión, por la sonda espacial Cassini
    Créditos: NASA/JPL/Space Science Institute
  • El Circo SaturnoEl Circo Saturno

    El Circo Saturno
    Los satélites del gigante anillado.
    Autor: Anthony Baillard
    Créditos imágenes originales: NASA

    © caosyciencia.com

El autor

David Galadí-Enríquez es Doctor en Física y trabaja en el Centro Astronómico Hispano Alemán (Observatorio de Calar Alto) como astrónomo técnico y responsable de comunicación.

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