El núcleo “borroso” de Júpiter o el misterio del interior de los planetas gigantes

Daniel Marín 12 abr 17

El principal objetivo de la misión Juno de la NASA es determinar si Júpiter tiene un núcleo y, en caso afirmativo, cuáles son sus dimensiones. A primera vista nos puede parecer un hecho sin especial trascendencia, hasta que nos damos cuenta de que se trata de una afirmación cuanto menos extraña. ¿Cómo no va a tener núcleo un planeta? Los mundos del sistema solar han tenido 4.600 millones de años para experimentar una diferenciación drástica. Es decir, los elementos y compuestos pesados tienen que haberse hundido hasta al fondo, dejando tras de sí las sustancias menos densas. Por eso los planetas rocosos como la Tierra tienen un núcleo de elementos pesados como el hierro y el níquel. ¿Por qué iba a ser Júpiter diferente?

Júpiter visto por el telescopio Hubble en 2017 (NASA, ESA, A. Simon).

El planeta más grande del sistema solar está formado principalmente por hidrógeno y helio, los elementos más ligeros y abundantes del Universo. De tener un núcleo, el de Júpiter tendría una pequeña fracción de su masa. Y sin embargo su tamaño es crucial para entender la formación del planeta y, por extensión, la del sistema solar. La existencia de un núcleo en la Tierra es fácil de entender: nuestro planeta surgió a partir de la fusión de planetesimales de composición rocosa y metálica principalmente. Cuando la prototierra tuvo un tamaño adecuado, el calor resultado del choque entre objetos y de la desintegración de elementos radiactivos fundió el interior, permitiendo que los elementos más pesados se fueran al centro. Y asunto resuelto.

Este modelo es el que se conoce como acreción del núcleo y es el que tradicionalmente se ha invocado para explicar la formación del sistema solar. Según este modelo el núcleo de Júpiter, rico en metales, roca y hielos, se formaría primero y la creciente gravedad del mismo permitiría retener los elementos más volátiles como el hidrógeno y el helio en una fase posterior. El problema con la mayor parte de variaciones de este modelo es que Júpiter habría tardado demasiado en formarse, aunque el verdadero talón de Aquiles del modelo es cómo explicar la formación de planetas gigantes alrededor de estrellas de muy baja metalicidad (con pocos elementos pesados) o a distancias superiores a las 20 Unidades Astronómicas. Por eso hace varias décadas se propuso otro modelo alternativo denominado inestabilidad de disco. De acuerdo con esta teoría los planetas se formarían muy rápidamente a partir de zonas más densas del disco protoplanetario. Este modelo es el favorito para justificar la formación de Júpiter y de hecho es capaz de explicar la formación de gigantes gaseosos tanto pobres como ricos en metales, enanas marrones e incluso, en algunos casos, planetas rocosos. Por contra, su punto débil son los planetas de tipo gigante de hielo como Urano y Neptuno (que, sin embargo, explica muy bien el modelo de acreción del núcleo).

Modelo tradicional del interior de Júpiter con núcleo (Lunar and Planetary Institute).

Ahora bien, ¿cómo saber qué pasos siguió Júpiter durante su formación? Pues la clave es el núcleo. Los planetas formados por inestabilidad de disco pueden tener núcleos en su interior, pero solo este modelo es capaz de explicar la ausencia de un núcleo de grandes dimensiones en el interior de Júpiter. Por supuesto, ambos modelos pueden ser complementarios. La inestabilidad de disco podría ser el mecanismo dominante durante los primeros cientos de miles de años de formación de un sistema planetario, mientras que la acreción del núcleo sería dominante durante los millones de años posteriores. La acreción del núcleo es la teoría que mejor se ajusta a todos los planetas del sistema solar, aunque por contra también es el modelo que sale peor parado a la hora de explicar la formación de algunos exoplanetas descubiertos durante los últimos años. Pero mucho cuidado, el hecho de que no haya un núcleo no implica necesariamente la victoria de la inestabilidad de disco: ciertos modelos recientes apelan al modelo de acreción del núcleo para explicar la formación de Júpiter, pero sugieren que mucho después el núcleo fuertemente diferenciado desaparecería por acción de corrientes convectivas y la erosión de la capa de hidrógeno metálico.

Un modelo reciente para el interior de Júpiter y Saturno. Júpiter tendría núcleo borroso, pero Saturno sí tendría un núcleo definido (http://www.ph.ed.ac.uk/).

Entonces, ¿cómo podría ser el interior de Júpiter sin un núcleo definido? Además del núcleo, los modelos incorporan una ‘envoltura’ dividida en dos partes: la exterior, que incluye la atmósfera visible con gran abundancia de hidrógeno y helio, y la interior, también compuesta principalmente por hidrógeno y helio, pero con más elementos pesados. La separación entre estas dos partes de la envoltura se debe a que a cierta profundidad el hidrógeno líquido se convierte en metálico. Al mismo tiempo, el helio se vuelve insoluble en el hidrógeno metálico, por lo que ‘llueve’ precipitándose hacia el interior (también se ha propuesto una lluvia similar de neón en regiones más profundas). Con respecto al centro del planeta, conviene recordar que aunque los modelos de inestabilidad de disco permiten la ausencia de un núcleo denso en Júpiter y Saturno, en el caso de este último planeta se considera más probable que haya algún tipo de núcleo clásico definido. La sonda Cassini duranye su misión Grand Finale podrá ayudar a determinar si esta suposición es cierta o no.

Zona de ‘lluvia de helio’ en Júpiter (Militzer et al.).

Preguntas sobre el interior de Júpiter (Lissauer et al.).

Si Júpiter tiene un ‘núcleo borroso’ estaríamos hablando de una región de composición relativamente homogénea en la que la proporción de elementos pesados aumentaría progresivamente a medida que nos movemos hacia el centro del planeta. Las sustancias más abundantes del núcleo —agua, dióxido de silicio, óxido de magnesio y hierro— son todas ellas solubles en hidrógeno metálico, permitiendo la ausencia de fronteras internas. Este núcleo poco definido de elementos pesados mezclados con hidrógeno y helio no sería necesariamente simple. Según el gradiente de composición podrían haber corrientes convectivas que se encargarían de crear capas adicionales. La sonda Galileo detectó proporciones de elementos pesados en la atmósfera de Júpiter tres veces superior a la media del sistema solar, con excepción del oxígeno. Este dato podría ser una indicación de que los elementos pesados están repartidos por todo el interior del planeta. O no, porque una complicación adicional que no hemos mencionado es que resulta muy difícil modelar una ecuación de estado para el interior de Júpiter, en cuyo centro se alcanzan presiones del orden de ochenta millones de atmósferas y temperaturas cercanas a los diez mil Kelvin.

Resumiendo, si la sonda Juno encuentra un núcleo en Júpiter sería todo un espaldarazo para el modelo de acreción del núcleo a pesar de los varapalos de los últimos años. Pero si no encuentra ninguno o su tamaño es muy reducido el modelo de inestabilidad de disco no debería cantar victoria, ya que originalmente pudo existir un núcleo que luego resultó disuelto. Ahora mismo no sabemos si Júpiter tiene o no un ‘núcleo borroso’, pero lo que sí está claro es que para entender el origen del sistema solar debemos entender cómo es el interior del gigante joviano.