Nuestro Sistema Solar consiste en un colorido grupo de cuerpos celestes que difieren mucho entre sí. Está regido por el Sol, alrededor del cual orbitan ocho planetas y miles de objetos más pequeños. Sin embargo, hay dos planetas que son extremadamente similares en color, tamaño y estructura interna. Estos son los gigantes helados Urano y Neptuno, que se encuentran en el borde mismo del Sistema Solar. Se distinguen por su color azul, que es el resultado del metano (CH4) en sus atmósferas. Sin embargo, los colores de estos planetas no son exactamente iguales. Mientras el color de Neptuno es azul oscuro, el de Urano es azul verdoso. La pregunta de cuál es la razón de esta diferencia ha atormentado a los astrónomos durante décadas. En 2022, un grupo de astrónomos dirigido por Patrick Irwin de Oxford produjo un modelo matemático muy preciso con el que reprodujo matemáticamente la composición de las atmósferas de ambos planetas. A parecer, la respuesta está en pequeñas diferencias en la composición de las atmósferas de ambos gigantes.
Figura 1: Fotografías de Urano (izquierda) y Neptuno (derecha) tomadas por la misión Voyager 2 en la década de los 80. Fuente: NASA.
Echemos primero un vistazo rápido a los planetas del Sistema Solar. Se pueden dividir en dos grupos principales. Mercurio, Venus, Tierra y Marte pertenecen a los planetas tipo Tierra o los llamados planetas rocosos. La mayor parte de la masa de estos planetas está formada por elementos pesados como el hierro, el níquel y las rocas. Su capa más externa, es decir, la corteza, es sólida. En Tierra, la corteza está parcialmente cubierta por agua líquida y todos los planetas rocosos del Sistema Solar, a excepción de Mercurio, están rodeados de atmósferas. Estos planetas se formaron a través de la acumulación de pequeños cuerpos sólidos llamados planetesimales. Inmediatamente después de su formación, estos cuatro planetas estaban calientes y completamente cubiertos por océanos de lava. Sin embargo, su superficie se enfrió rápidamente: tan solo 150 millones de años después de su formación, ya existía agua líquida en la Tierra.
Los planetas que se encuentran más allá de la órbita de Marte pertenecen a otro grupo: los gigantes gaseosos. Sus principales características son el tamaño mucho mayor que el la Tierra y ausencia de una superficie sólida. Los gigantes gaseosos son mundos fríos con temperaturas muy por debajo del punto de congelación.
Júpiter y Saturno son los gigantes gaseosos más grandes del Sistema Solar. Si los observamos a través de un telescopio, podemos ver que su color es predominantemente amarillento, lo cual se debe a las nubes de amoníaco (NH3) congelado que reinan en las capas superiores de sus atmósferas. Dentro de ambos planetas, probablemente existen núcleos sólidos, compuestos de hierro, níquel y material rocoso. Las capas externas al núcleo contienen grandes cantidades de hidrógeno y de helio, que juntos representan un 90% de la masa de estos planetas. Estos cuerpos se formaron en dos fases, primero por acumulación de planetesimales y luego por acrecimiento de grandes cantidades de gas.
En las afueras del Sistema Solar reinan Neptuno y Urano, que pertenecen a una subclase de gigantes gaseosos, llamados los gigantes helados. El helio y el hidrógeno representan solo alrededor del 20% de la masa de estos planetas. La mayoría de las sustancias que los componen son una mezcla de gases compuestos por el oxígeno, el hidrógeno, el carbono, el nitrógeno y el azufre. El color azul de Neptuno y Urano se debe a la presencia del metano y otros hidrocarburos en sus atmósferas que absorben fuertemente la luz roja e infrarroja. La falta de luz roja hace que el espectro de ambos planetas esté dominado por el color azul.
El núcleo sólido, oculto en lo profundo de ambos planetas, representa solo un pequeño porcentaje de su masa total. Alrededor del núcleo se encuentra el manto, que consiste en agua, metano y amoníaco. Todos estos compuestos existen en un estado muy especial, conocido como fluido supercrítico, que tiene propiedades mixtas de líquidos y gases.
Los científicos aún no tienen del todo claro cómo realmente se forman los gigantes de hielo. Algunos modelos asumen que en el disco protoplanetario que rodeaba al Sol naciente, existían regiones con densidad ligeramente mayor que en sus alrededores, lo que finalmente condujo al colapso gravitatorio local. La formación de las regiones densas podría ser el resultado de un encuentro cercano con otra estrella o la fotoevaporación del gas del disco protoplanetario debido a la radiación de estrellas muy calientes que se encontraban en la cernaía del Sol cuando éste apenas acababa de nacer.
Cuando la sonda Voyager 2 tomó las primeras imágenes cercanas de ambos planetas en la década de 1980, los astrónomos descubrieron que la atmósfera de Neptuno es mucho más activa que la de Urano. Los aerosoles, es decir, las suspensiones de partículas sólidas en la atmósfera, forman nubes blancas en la capa de la atmósfera de Neptuno, que llamamos la troposfera. La sonda Voyager 2 también fotografió la llamada Gran Mancha Oscura en Neptuno. Esta fue una gran tormenta, con una superficie de 13.000 km × 6.600 km. Se trataba de un anticiclón gigante, similar a la Gran Mancha Roja de Júpiter. Pero si este último ha existido en Júpiter desde hace 400 años, la gran mancha oscura ya no volvió a aparecer en las fotos de Neptuno tomadas por el Telescopio Espacial Hubble unos pocos años después.
Las nubes blancas y las manchas oscuras ocurren con regularidad en Neptuno. En Urano, la historia es diferente, ya que en él se han detectado solamente unas cuantas nubes y una sola mancha oscura, que fue fotografiada por el Telescopio Espacial Hubble en 2003 y era mucho más pequeña que la de Neptuno. Se cree que la diferencia en la actividad de las atmósferas de Urano y Neptuno se debe al hecho de que ambos planetas producen calor en su interior, pero Neptuno tiene más éxito en esto, ya que produce hasta 1.6 veces más energía de la que recibe del Sol, mientras que en Urano este factor es solo de 0.1. El origen de este calor en Neptuno sigue siendo un misterio
La composición química de los aerosoles y, en consecuencia, también de las nubes en Neptuno y Urano, fue un enigma durante mucho tiempo. En 2018, los astrónomos finalmente confirmaron la existencia de sulfuro de hidrógeno (H2S) en la atmósfera de Urano, que sospechan que también se encuentra en Neptuno. En la troposfera de ambos planetas este gas reacciona con el amoníaco para formar hidrosulfuro de amoníaco (NH4SH) la componente principal de las nubes troposféricas.
Se piensa que los aerosoles son responsables de los diferentes colores de Neptuno y Urano. En la investigación más reciente, un grupo de astrónomos utilizó imágenes y mediciones del Telescopio Espacial Hubble y la sonda Voyager 2, a partir de las cuales creó un modelo matemático de las capas superiores de las atmósferas de ambos planetas. Se cree que los aerosoles están ubicados en tres capas de la atmósfera, separadas a diferentes altitudes, siendo la capa intermedia la que determina la tonialidad azul de los planetas. Los científicos ahora están convencidos de que en la capa intermedia, las partículas de aerosol atraen el hielo de metano. Así, la masa de estas partículas aumenta, lo que provoca su transporte o caída hacia las capas inferiores y más densas de la troposfera en forma de la llamada nieve de metano. Debido a que la atmósfera de Neptuno es más activa que la de Urano, allí se forma más nieve de metano. Como resultado, la densidad y el grosor de la capa intermedia de aerosoles es menor en Neptuno, lo que hace que esta capa sea más transparente. La luz azul de las capas inferiores de la atmósfera de Neptuno puede salir del planeta con más facilidad, dándole una apariencia azul oscuro.
Figura 2: Estos esquemas muestran las diferencias en la composición de las capas exteriores de Urano y Neptuno. Fuente: NASA.
Los científicos también utilizaron el mismo modelo para explicar la existencia de manchas oscuras. Se cree que estos enormes anticiclones oscurecen o reducen la transparencia de la capa más baja de la capa de aerosol, lo que hace que escape menos luz de allí, dando a estos vórtices atmosféricos una apariencia negra.
Lecturas adicionales para los más curiosos
- Irwin, P. G. J., Teanby, N. A., Fletcher, L. N., Toledo, D., Orton, G. S., Wong, M. H., et al. (2022). Hazy blue worlds: A holistic aerosol model for Uranus and Neptune, including dark spots. Journal of Geophysical Research: Planets, 127, e2022JE007189. https://doi.org/10.1029/2022JE007189
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