Los suburbios del sistema solar

Los sistemas gravitatorios de tres o más cuerpos tienden a volverse caóticos. Lo hemos comentado aquí en el blog, y también es el tema de una popular nueva serie, llamada precisamente El problema de los tres cuerpos. Por esa razón, la predicción de la evolución del sistema solar, o la reconstrucción de su historia lejana, resultan problemas muy difíciles de afrontar, tanto teórica como computacionalmente. Sabemos, por el registro geológico y fósil, que la Tierra ha sufrido variaciones grandes en algunos de sus parámetros orbitales, que a escala humana nos parecen constantes y eternos. Pero inclusive antes de chocar con ese horizonte de predictibilidad (que está a unos 100 millones de años) ¿qué habría pasado si el sistema solar hubiera sido perturbado de manera externa? Cien millones de años es mucho tiempo, lo cual permite que las estrellas se muevan apreciablemente en su circulación galáctica. Si bien es extremadamente improbable que dos estrellas choquen, la gravedad es una fuerza de largo alcance y, si dos estrellas se acercan, pueden perturbar sus sistemas planetarios y desatar un caos. 

Me interesó un paper que discute precisamente esto, analizando la órbita de la Tierra a medida que las estrellas del vecindario solar, cuyas velocidades hoy se conocen con gran precisión gracias al telescopio espacial Gaia, pasaron relativamente cerca. Entre ellas se destaca HD 7977, una estrella similar al Sol que hace 2.8 millones de años pasó a algunos miles de unidades astronómicas, bien dentro de la nube de Oort, y suficientemente cerca como para afectar las órbitas de los planetas. Esta figura, que forma parte de un lindo video de los autores, muestra la dispersión en la órbita de la Tierra, tras unos 50 millones de años de simulación, cuando existe una incerteza de ¡un centímetro! en las órbitas de los planetas, cuando HD 7977 pasa cerca. Cuando la estrella no pasa, la dispersión es casi inexistente. 

Esto me recordó algo que conté hace años: el misterio de los sednitos. Varios de los objetos del cinturón de Kuiper (Sedna y otros) tienen sus órbitas particularmente alineadas, como si alguien las hubiera soplado de costado. Una hipotética razón para esto es que exista un planeta todavía desconocido en el sistema solar, el Planeta Nueve (llamado a veces Planeta X, lo cual es entre confuso y gracioso):

Mike Brown (descubridor de Sedna, Eris, etc. y experto transneptuniano) está convencido de que el Planeta Nueve  existe, y muestra en sus charlas y sus escritos la cantidad de propiedades inusuales de estas órbitas que resultan explicadas por las perturbaciones que éste produce en el sistema solar exterior. Más aún: estas propiedades le permiten calcular la órbita de Planeta Nueve, tal como aparece dibujada ahí arriba. 

A propósito: fíjense qué ridícula es la órbita misma de Sedna. Compárenla con la de Neptuno, que aparece ahí en el medio. ¿Cómo puede existir un casi-planeta en una órbita que parece la de un cometa, casi desligada del sistema solar? ¿Quién lo puso ahí? ¿Quién lo sostiene sin que el caos lo eyecte? Y bueno, después están los sednitos, una cosa lleva a la otra, qué se yo. Vean el webinar de Brown que enlacé arriba, vale la pena.

Pero claro, la naturaleza caótica de la dinámica hace que la posición del planeta en esta órbita no sea tan fácil de predecir, así que el planeta podría estar en cualquier lugar de la eclíptica. ¿En cualquier lugar? En realidad no: es más probable que se encuentre en algunos lugares que en otros. Precisamente un paper reciente de Brown muestra que ya ha podido eliminar prácticamente toda la franja eclíptica, basándose en las observaciones del survey Pan-STARRS. 

Esto puede interpretarse de dos maneras, una optimista y una pesimista. Por supuesto, Brown toma la posición optimista, y dice que tiene al Planeta Nueve "acorralado", y que lo va a encontrar en esas partes coloridas del mapa celeste. Está seguro de que esto ocurrirá con ayuda del telescopio Vera Rubin, y el fantástico Legacy Survey of Space and Time que producirá en los próximos años. Es decir, el descubrimiento no será como el de Neptuno, cuando el matemático le dijo al astrónomo "apunte para ahí", el astrónomo apuntó y ahí estaba el planeta. Si existe, lo van a encontrar con fuerza bruta, fotografiando todo el cielo cada 3 días.

Ahora, ¿y si pasan 10 años y el Planeta Nueve no aparece? Esa sería la interpretación pesimista del mapa de arriba: la región donde puede estar el Planeta Nueve es tan pequeña porque —lo lamento, Mike— el Planeta Nueve no existe. Es lo que yo creo, aunque me encantaría que hubiese una supertierra en el sistema solar, por supuesto. Mi intuición es que una estrella, de las muchas que han pasado cerca del cinturón de Kuiper en la historia del sistema solar, peinó las órbitas de los sednitos. Veremos veremos. 

Mientras tanto, voten en los comentarios ¿existe o no existe el Planeta Nueve? ¿Eh?

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El paper sobre el paso de HD 7977 es: Kaib et al., Passing stars as an important driver of paleoclimate and the solar system’s orbital evolution, AJLetters, 962:L28, 2024 February 20.

El paper del Planeta Nueve acorralado es: Brown et al., A Pan-STARRS1 search for Planet Nine, arXiv:2401.17977v1, 31 Jan 2024.

Por si alguien se lo pregunta: la primera figura no muestra la trayectoria de la Tierra, sino sus parámetros orbitales: en la dirección radial, la elipticidad, y en la dirección angular, la dirección del perihelio. Cada color es una simulación.

Así en la Tierra como en el Cielo

1542. Todo el mundo sabe lo que es un planeta. Sin alumbrado público, a nadie que mire el cielo se le escapa que hay siete cuerpos celestes que se mueven con respecto a las estrellas. Se los conoce desde hace miles de años, tal vez decenas de miles de años. Son los siete vagabundos: el Sol, la Luna, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Uno por cada día de la semana (sábado y domingo cambiaron de patrono en el camino, pero en inglés todavía se los reconoce).

1543. Nicolás Copérnico publica un libro que pone todo patas arriba. Este cura polaco explica que esos movimientos son un efecto de perspectiva desde nuestro punto de observación. Planeta, lo que se dice planeta, hay que decirles a los que orbitan el Sol, que es tan grande y tan brillante que obviamente ocupa un lugar especial en el sistema del mundo. Y la Tierra es uno de ellos, aunque parezca mentira. Y la Luna no, sino que gira alrededor de la Tierra.

1780. Han pasado siglos desde la Revolución Copernicana. Todo el mundo sabe lo que es un planeta: Mercurio, Venus, la Tierra, Marte, Júpiter o Saturno. Son seis. El Sol y la Luna no, obvio.

1781. Un músico talentoso, William Herschel, descubre un séptimo planeta. El quinto y más grande llevaba el nombre del rey de los dioses, y el sexto, hasta entonces el más lejano, el de su padre. El nuevo vagabundo recibió (después de años de debate con matices políticos) el nombre del más antiguo de los dioses griegos: Urano. Todo el mundo sabe lo que es un planeta: uno de los siete vagabundos conocidos, o alguno de los que seguramente se seguirán descubriendo gracias al uso de los telescopios.

1789. Un nuevo metal, apenas descubierto, recibe el nombre de uranio, basado en el del nuevo planeta.

1801. El Padre Piazzi descubre el octavo planeta, orbitando entre Marte y Júpiter. Le ponen el nombre de Ceres, una diosa olímpica importante.

1802. El Dr. Olbers, médico alemán, descubre el noveno planeta, que recibe el nombre de Pallas, por uno de los nombres de Atenea. ¿Por qué no le pusieron Atenea, directamente?

1803. Se descubren nuevos elementos químicos. La más abundante de las tierras raras recibe el nombre de cerio para agasajar el descubrimiento del sacerdote italiano. Un metal plateado es bautizado paladio. ¿Se estará estableciendo una tradición?

1804. Se descubre el décimo planeta, Juno. Como corresponde, recibe el nombre de una diosa importante, hija de Saturno, hermana de Júpiter, madre de Marte. A la pipeta.

1807. El mismo Olbers descubre el décimoprimer planeta, nombrado Vesta, de acuerdo a la tradición mitológica. Pero los dioses importantes empiezan a escasear.

1808. Los químicos empiezan a sospechar. ¿Qué es un planeta? ¿Un vagabundo entre las estrellas del cielo? ¿Un cuerpo en órbita solar? ¿Cuántos más descubrirán? Qué raros los planetas octavo a décimoprimero, ¿no? Están medio amontonados entre Marte y Júpiter, ¡y son tan chiquitos! Por las dudas, empiezan a economizar nombres de elementos. Nada de "junio" ni "vestio".

1846. Le Verrier, Galle y Couch Adams descubren el décimosegundo planeta. ¡Ah, este sí es un planeta hecho y derecho! Lo llamaremos Neptuno, un dios súper importante que nos había quedado en el tintero. A ver qué hacen los químicos.

1870. Dimitri Mendeleev ordena los elementos químicos en su famosa tabla. Hay algunos huecos. ¿Qué hacer? Además de Neptuno, ¡se han descubierto más de un centenar de planetas pequeños! No hay tantos elementos químicos nuevos. Son tiempos confusos. William Herschel había propuesto que se los llamara asteroides, y nadie está seguro de qué es un planeta y qué no lo es. Pero Neptuno definitivamente se merecía un elemento, digo yo. Mendeleev, mientras tanto, se retira de la vida académica para encontrar la fórmula del vodka perfecto.

1900. La situación de los planetas empieza a normalizarse. Sin necesidad de un pronunciamiento oficial, el sistema solar pasa a tener ocho planetas. Ceres, planeta por cien años, ya no lo es. Ceres y el enjambre de asteroides, se reconoce, son algo distinto. Son vagabundos en el cielo, sí señor; orbitan el Sol, sí; pero están muy amontonados y son muy chiquitos. Planetas son planetas, qué embromar.

1930. Clyde Tombaugh descubre el noveno planeta del sistema solar. ¡Chan! ¡Había más, entonces! Plutón, como se lo llamó apropiadamente (un dios importante, y además un nombre que empieza con "PL", las iniciales de Percival Lowell, el rico aficionado que impulsó su descubrimiento), Plutón, decía, está más allá de Neptuno. Bueno, la mayor parte del tiempo al menos. Fenómeno, no es un asteroide. Es chiquito, eso sí, y con una órbita medio rara, pero bue'. Ya estábamos necesitando un planeta.

1940. Finalmente se hace justicia: se designa con el nombre de neptunio al primer elemento trans-uránido, ocupando uno de los huecos de la tabla de Mendeleev.

1941. En un artículo enviado a Physical Review se bautiza como plutonio un nuevo elemento. Parece que primero consideraron "plutio", pero sonaba medio mal. Así que fue plutonio. El paper es retirado por los autores antes de su publicación porque se descubre que uno de los isótopos del plutonio es físil y serviría para fabricar bombas nucleares (que finalmente se usaron para arrasar Hiroshima y Nagasaki). Así que el plutonio y su nombre no alcanzan estado público hasta después de la Guerra.

1991. Todo el mundo sabe lo que es un planeta. Mercurio Venus Tierra Marte Júpiter Saturno Urano Neptuno y Plutón. Una lista que termina con una palabra aguda, dando una sensación de completitud y seguridad difícil de ignorar. Plutón hasta tiene un satélite, Caronte, qué bonito.

1992. David Jewitt y Jane Luu descubren el segundo de los objetos trans-neptunianos, designado provisoriamente 1992 QB₁, sesenta y dos años después de Plutón. ¿Se repetirá lo que pasó con los asteroides? Veinte años no es nada, pero sesenta y dos años es mucho tiempo. Plutón es un planeta es un planeta es un planeta. No vengan con cosas raras. Al pobre vagabundo nuevo no le ponen siquiera un nombre, y lo llaman simplemente QB1, pronunciado Kiubiwán (no confundir con Obi-Wan Kenobi). Lleva el número de orden 15760, una lista que empieza con 1 Ceres.

2005. Mike Brown descubre el décimo planeta, 2003 UB₃₁₃. Su número de orden es 136199. Apenas 12 años han pasado desde QB1, pero el número de cuerpos menores ha explotado a cientos de miles. El nuevo trans-neptuniano parece ser más grande que Plutón. Caramba. ¿Qué era un planeta?

2006. Nadie está seguro de lo que es un planeta. Mike Brown y su equipo han descubierto cantidad de objetos trans-neptunianos. Ya es evidente que existe un segundo cinturón de asteroides en el sistema solar, algo que había propuesto (o no) un astrónomo llamado Kuiper, así que se lo empieza a llamar cinturón de Kuiper. Y que Plutón, el noveno planeta, debería ser reclasificado como miembro de este nuevo enjambre. El nombre "de entre casa" de UB₃₁₃ había sido Xena (sí, la princesa guerrera de la tele), y tiene un satélite, que llamaban Gabrielle, como la amiga de Xena. Hubieran sido nombres buenísimos, y hasta Xena empieza con X, décimo numeral romano y excelente nombre para el planeta X. Es mitología televisiva, pero estamos en el siglo XXI: no está mal. Después de todo Plutón tiene el nombre de un dibujo animado (el perro Pluto; en castellano usamos formas distintas del mismo nombre, pero en inglés son iguales). Pero para su designación oficial Mike Brown eligió Eris: la diosa de la discordia. También es un buen nombre, que refleja el estado de discusión que se desató acerca de si era o no un planeta, y qué hacer con Plutón. El satélite de Eris recibió el nombre de Disnomia ("sin ley"), hija de Discordia. En inglés "sin ley" se dice lawless. ¿Y cómo se llama la actriz neocelandesa que protagonizaba a Xena? Lucy Lawless. Todos contentos.

2006. La Unión Astronómica Internacional, tras acalorado debate, decide retirar a Plutón de la lista de planetas y dar una definición, un poco tirada de los pelos, de lo que es un planeta. El sistema solar tiene ocho planetas, y seguramente no más que ocho. Menos mal, porque todos los elementos químicos de la tabla periódica ya tienen nombre.

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Notas: Estoy leyendo el libro de Mike Brown, How I killed Pluto (and why it had it coming), que está muy bueno. El uranio, como sabemos, produce buena parte de la electricidad que consumimos. El paladio es un buen catalizador y se usa en los escapes de los autos; no es tóxico como se muestra en Iron Man 2. El cerio también se usa en los conversores catalíticos, y más recientemente en las pilas de NiMH (a pesar de su nombre, la "M" no es un metal sino una tierra rara). El plutonio, con su mala fama, se necesita para alimentar las sondas de espacio profundo (es otro isótopo, pero son difíciles de separar). Su producción fue intensa durante la Guerra Fría, pero ahora ya no se fabrica y la NASA se está quedando sin un insumo importante. No sé qué van a hacer.

El planeta X

La semana pasada hablábamos de los robots Voyager alejándose de nuestro sistema planetario, viajando entre las estrellas. Pero, ¿realmente no hay más planetas en esas inmensas lejanías? ¿No podrán encontrarse con el famoso planeta X, que alguna vez tuvo una presencia prominente en círculos astronómicos? Todavía se lo menciona, pero sobre todo en contextos apocalípticos que son pura charlatanería (como el del año que viene, vayan preparándose).

Desde que William Herschel descubrió Urano en el siglo XVIII siempre quedó la duda: ¿habría más planetas? El descubrimiento de Neptuno era inevitable, como ya contamos: había peculiaridades en la órbita de Urano que requerían la existencia de otro planeta. Neptuno eliminó casi todas la irregularidades, pero no todas. Parecía que el descubrimiento de un décimo planeta era cuestión de tiempo. Otro día contaré de Percival Lowell, Clyde Tombaugh y el descubrimiento de Plutón, que no fue fruto de la inevitabilidad de un cálculo sino de una búsqueda sistemática. Y tal vez de Mike Brown y el enjambre de objetos trans-neptunianos que forman el cinturón de Kuiper, y que son la familia de Plutón. Pero ni Plutón ni ningún objeto del cinturón de Kuiper son el planeta X: son muy pequeños, no podrían explicar las irregularidades en la órbita de Urano.

¿Y entonces? ¿Existe un planeta grande en los confines del sistema solar? Un famoso astrónomo y matemático argentino trabajó mucho en el problema de la existencia del planeta X. Murió hace poco, en 2009, a los 91 años. El gran público no lo recuerda y es una verdadera lástima. Se llamaba Zadunaisky, había sido discípulo del excelente matemático italiano Beppo Levi, que emigró a la Argentina huyendo de las persecuciones antisemitas en la Italia fascista. Zadunaisky fue pionero del cálculo numérico y su aplicación a la mecánica celeste. Calculó la órbita de Febe (novena luna de Saturno), la de los primeros satélites artificiales durante sus varias estadías en Estados Unidos, la del cometa Halley en su paso de 1986. Fue uno de los científicos que se exiliaron en 1966, tras la infame Noche de los Bastones Largos. Era una eminencia en Harvard y en Goddard pero siempre volvió, y vivió sus últimos años en la Argentina. Cuando yo era estudiante en el Balseiro mis compañeros de ingeniería nuclear tuvieron la suerte de tenerlo como profesor invitado, y aprendieron el método de Runge-Kutta en medio de anécdotas sobre la órbita del cometa Halley. Recuerdo que en los recreos nos hablaba de recientes desarrollos en la búqueda del planeta X mientras tomábamos el "café" de Clementina en Aulas Nuevas. Mientras rebuscaba la bibliografía para escribir esta nota encontré, por ejemplo, un artículo publicado en Celestial Mechanics pocos años después, en 1991, con un cálculo hecho en La Plata (usando los métodos de Zadunaisky) mostrando que era posible un planeta casi tan grande como la Tierra a menos de 50 UA (poco más allá de Plutón). Todavía no se había descubierto ningún otro objeto del cinturón de Kuiper (aparte de Plutón, claro).

Bueno, ¿y? ¿Existe o no existe? No, no. Era un fantasma, así como las supuestas irregularidades de la órbita de Urano. Cuando Voyager 2 pasó junto a Neptuno en 1989 los astrónomos pudieron usar la trayectoria de la sonda para calcular con mucha precisión la masa del gigante. Resultó que había un 0,5% de diferencia con la masa que se venía usando hasta ese momento. Cero coma cinco por ciento no parece mucho, pero es el equivalente de la masa del planeta Marte. ¡Es un montón! Con la nueva masa de Neptuno se rehicieron los cálculos de las perturbaciones sobre Urano y las supuestas discrepancias se desvanecieron. No se necesita ningún otro planeta grande en el sistema solar. Más aún, las órbitas de las lejanas sondas Voyager 1 y 2, y de Pioneer 10 y 11 mientras hubo contacto, descartan la existencia del planeta X.

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Notas varias

Zadunaisky se llamaba Pedro Elías, pero todo el mundo le decía Mauricio. Todos, hasta su familia y él mismo. Descubrió que se llamaba Pedro Elías cuando se presentó a hacer el servicio militar y le dieron la libreta de enrolamiento. ¿No es rarísimo? Es una lástima que el asteroide 4617 Zadunaisky tenga el nombre de Pedro Elías, no de Mauricio.

Sobre la masa faltante de Neptuno puede verse el artículo Planet X - No dynamical evidence in the optical observations, de Myles Standish (Astronomical Journal, 1993).

El mismo Standish dice en un trabajo posterior que, si bien las órbitas de Urano y Neptuno ya no presentan problemas, la de Plutón sí. Lo que pasa es que se lo ha observado durante una fracción muy pequeña de su órbita y la incerteza en sus parámetros todavía es grande. A medida que New Horizons se acerque a Plutón se requerirán y se harán más mediciones para mejorar el cálculo. A partir de HOY New Horizons será la nave más cercana a Plutón (record hasta ahora detentado por Voyager 2). Llegará al sistema de Plutón el 14 de julio de 2015. Attenti.