Teorías sobre el origen del Sistema Solar
Conferenciante: Enrique López Cabarcos (Departamento de Química Física II de la Universidad Complutense de Madrid)
Fecha: 15 de octubre de 2.009
1.-Introducción
El Sol contiene el 99,98% de la masa del Sistema Solar. El resto se encuentra repartido entre los planetas y otros objetos como asteroides y cometas. La teoría de la formación de las estrellas está bien explicada y podemos predecir su evolución en función de la masa que posean. Luego, podemos deducir que no es mucho lo que nos queda por conocer del Sistema Solar si lo vemos desde un punto de vista tan sólo de la masa, ya que sólo nos quedaría averiguar la evolución de un 0,02% de este sistema. Desgraciadamente, la teoría de la evolución estelar no predice la formación de planetas. Y lo que es más importante para el tema que se va a tratar, lo que más se desconoce de dicha evolución de las estrellas, es precisamente cómo nacen. Sabemos prácticamente lo que ocurre cuando la estrella ya ha nacido iniciando su brillo. Pero, ¿qué pasó para que se iluminara? Hoy en día se utiliza la radiación infrarroja para tratar de dar una solución a esta pregunta, ya que, lo que ocurre antes de que el astro empiece a emitir luz, es invisible en el espectro visible.
Propiedades del Sistema Solar y sus planetas.
-La primera propiedad que podemos destacar del Sistema Solar es la variedad de objetos y el orden en el que están dispuestos. Esta característica ya fue apuntada por Newton quien afirmó que los planetas se encuentran en un mismo plano y sus órbitas alrededor del Sol son elípticas con una cierta excentricidad.
-Todos los planetas giran alrededor del Sol en una misma dirección.
-Tenemos dos tipos de planetas: telúricos y gaseosos.
-En cuanto a tamaño podemos dividir los planetas en dos grupos: gigantes y enanos.
Sobre el orden de los planetas
La primera descripción del orden de los planetas se debe a Kepler (1.595), en la que comenta la posición de Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Kepler creía que los radios de las órbitas circulares de los planetas estaban en proporción con los radios de las esferas inscritas en sólidos platónicos dispuestos uno dentro de otro. En la esfera interior estaba Mercurio mientras que los otros cinco planetas (Venus, Tierra, Marte, Júpiter y Saturno) estarían situados en el interior de los cinco sólidos platónicos correspondientes también a los cinco elementos clásicos.
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tierra
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fuego
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Universo
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agua
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aire
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Figuras tomadas del tratado Mysterium Cosmographicum de Johannes Kepler
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Pero las observaciones del movimiento retrógrado de Marte indicaron a Kepler que su teoría era incorrecta, es decir, el movimiento de los planetas no podía ser explicado por su modelo de poliedros perfectos y armonía de esferas. Entonces realizó sus cálculos con elipses y los resultados obtenidos encajaron con sus observaciones.
 Modelo platónico del Sistema Solar presentado por Kepler en su obra Misterium Cosmographicum (1596).
Ley de Titius Bode: es una de las aportaciones más importantes al orden de los planetas. Relaciona la distancia de un planeta con respecto a su estrella. Equivale a la ecuación matemática:
R = 0,4 + 0,3.2n-1
Y predice la situación a la que puede encontrarse un planeta dando diferentes valores a “n”. La tabla con los resultados para nuestro Sistema Solar es:
Planeta
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n
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Distancia ley T-B
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Distancia real
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Mercurio
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0
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0,4
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0,39
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Venus
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1
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0,7
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0,72
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Tierra
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2
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1,0
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1,00
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Marte
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4
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1,6
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1,52
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Ceres1
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8
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2,8
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2,77
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Júpiter
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16
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5,2
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5,20
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Saturno
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32
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10,0
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9,54
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Urano
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64
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19,6
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19,2
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Neptuno
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E/n2
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30,06
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Plutón
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128
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38,8
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39,44
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Pero esta ley no encaja bien para Neptuno. Se sabe que tras su órbita se encuentra el cinturón de Kuiper (a unas 100 U.A.) del que proceden los cometas de corto periodo mientras que los de largo periodo proceden de la nube Oort (a unas 100.000 U.A.),y que rodea al Sistema Solar a modo de esfera.
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¿Pero qué ocurre entonces con los satélites que orbitan los planetas? ¿Cumplen esta ley? Una buena ley de la formación del Sistema Solar también debería predecir estas formaciones.
Todavía hay mucho que desconocemos de nuestro propio Sistema Solar. Por ejemplo, hace unos días se dio a conocer el descubrimiento de un nuevo anillo en Saturno formado por partículas a 80K, y con una densidad tan baja que no se vería con el espectro visible, ya que refleja muy poca luz, necesitando de observaciones en el infrarrojo para poder detectarlo. Y hace unos años, en 1.995, con el hallazgo de nuevos objetos transneptunianos, se rebajó a Plutón a la categoría de planetoide.
Nuevo anillo de Saturno descubierto.
El orden y variedad del Sistema Solar se reproduce en el orden y variedad de los satélites de los planetas gigantes. Este hecho lo contempló y estudió por primera vez Galileo en 1.610, publicándolo en su obra más importante: “Sidereus Nuncius”. En ella describió los movimientos del los cuatro satélites que hoy en día llevan su nombre. Los satélites galileanos son Io, Europa, Ganímedes y Calixto. Galileo estudió sus movimientos entorno a Júpiter y trató de calcular sus periodos orbitales, llegando a describir este planeta como un Sistema Solar en miniatura, lo que supuso una revolución en la época.
Apuntes tomados por Galileo de sus observaciones y publicados en el “Sidereus Nuncius”.
En resumen, una buena teoría que explique el origen del Sistema Solar, debe explicar también la formación de los planetas y sus satélites.
Si la ley de Titius Bode toma para los planetas del Sistema Solar, la ecuación matemática:
Rss = C1 + C2.2n
Para el caso de los planetas gigantes y sus satélites toma la forma en el caso de Júpiter y Saturno:
Rjup = A1 + A2.1,75n
Rsat = B1 + B2.1,5n
Al igual que los planetas del Sistema Solar, a medida de que se alejan del Sol, son menos densos, es decir, los satélites de Júpiter van perdiendo densidad conforme se alejan de él.
Ley de Titius-Bode para los satélites de Júpiter.
2.-Teoría de la formación de los planetas.
Se sabe que el espacio que se encuentra entre los planetas está vació, luego, la nube original que les dio origen sufrió un proceso de limpieza y desapareció. En cuanto a la edad de éstos y el Sol, tenemos los datos:
● Sol.- Unos 4,6.109 años según el modelo estándar de formación estelar.
● Tierra.- (4,5-4,6)109 años.
● Luna.- 4,5.109 años, según las rocas más antiguas traídas en las misiones Apolo.
● Marte.- 3,8.109 años, según los meteoritos marcianos más antiguos estudiados.
● Júpiter y Saturno.- Se tuvieron que formar pronto para poder capturar el gas de la nebulosa inicial antes de que desapareciera por el proceso de limpieza.
● Meteoritos.- (4,0- 4,6).109 años.
Una buena teoría de formación tiene que explicar algunas cuestiones mientras que otras pueden no tener explicación debido a que se tendrían en cuenta otros factores independientes del origen, por lo que debe ser flexible para permitir ciertas excepciones.
→ Lo que sí debe explicar:
● Movimiento regular de los planetas: órbitas coplanarias, revolución, rotación, excentricidad.
● El Sol tiene poco momento angular. ¿Por qué?
● Distribución de la masa y la existencia de ocho planetas aislados.
● Por qué la distancia de los planetas al Sol sigue la ley de Titus-Bode.
● La existencia de dos grupos de planetas, terrestres y gigantes con sus satélites.
● La diferente composición química de los planetas.
● La existencia de anillos de asteroides así como el cinturón de Kuiper.
● Cometas y meteoritos.
● Cómo se formarían también los planetas extrasolares.
→ Lo que no tiene por qué explicar:
● Diferentes atmósferas.
● Rotación sincrónica.
● Vida o ausencia de ella.
● Formación de anillos en planetas gigantes.
● ¿Inclinación del eje de Urano?
Un poco de historia.
Tras la publicación de las leyes de Newton relativas a los movimientos de los cuerpos, aparecieron muchos trabajos sobre las órbitas planetarias:
● Kant. En 1.755 expuso una teoría filosófica en la que apuntaba a que los planetas se formaban a partir de nubes de polvo y gas.
● Laplace. En 1.796 presenta de forma científica el “modelo de la nebulosa de Laplace” que entra dentro de las teorías monistas.
Teorías monistas.
Esquema de la formación del Sistema Solar
Estas teorías exponen que a medida que la nube primordial gira a más velocidad, se desprenden capas de gas aplanándola y concentrándola dando lugar a la estrella central y a los planetas. Este modelo explica que los planetas orbitan en torno al Sol en el mismo sentido y en un plano, formando una especie de disco que se puede reproducir (subnebulosas que por ejemplo dan lugar a planetas como Júpiter con sus propios satélites orbitando en torno a él).
Los problemas que crea este modelo son:
-Momento angular.
-Los planetas no se pueden formar por la condensación de una nube de polvo y gas.
Durante 200 años se pensó que con esta teoría ya se podía explicar el origen del Sistema Solar aunque no dieran una resolución satisfactoria para los dos problemas citados.
En este sistema, el Sol debería girar más rápido de cómo lo hace. Se pensó que este problema se podría resolver, pero a principios del siglo XX, los geólogos estudiaron las rocas y expusieron que éstas no podían formarse por la condensación de nubes de polvo, luego esta teoría no explicaba la formación de la Tierra.
El momento angular calculado para la nebulosa primigenia equivaldría a:
L = 1046 Kgm2/s y por los cálculos realizados sabemos que:
Lo = 1041 Kgm2/s
Ljup = 1,9.1043 Kgm2/s
Lsat = 0,6.1043 Kgm2/s
Lura = 0,18.1043 Kgm2/s
Lnep = 0,24.1043 Kgm2/s
Lss = 2,9. 1043 Kgm2/s , luego 1000 veces menos!!!
Otro problema que nos causa el momento angular es cómo se transfiere. La teoría nebular no explica estos hechos, así que a principios del XX surgieron las teorías dualistas.
Teorías dualistas.
Estas teorías indican que el sistema Solar se formó a partir de la interacción de dos cuerpos.
Se pueden dar varios casos:
● El Sol en su etapa de formación pasa cerca de una estrella que por la atracción gravitatoria que se crea, arranca material del Sol, lo que da lugar a la formación de planetas. Pero se sabe que las estrellas están muy alejadas unas de las otras siendo su posibilidad de interacción muy pequeña. Esta hipótesis indicaría que el proceso de formación de planetas sería un hecho excepcional, lo que no concuerda con los últimos descubrimientos de exoplanetas. Tampoco explicaría la formación de los satélites. Además, las órbitas son muy estables y con pequeña excentricidad. Si un astro hubiera pasado cerca del Sol hubiera aumentado la excentricidad de los planetas.
● El Sol captura materia del exterior con la que forma los planetas. Pero se sabe que la edad del Sol y de los planetas es similar, luego tampoco sería válida esta teoría.
Conclusión: Se ha regresado a la teoría de Laplace. El Sistema Solar se formó a partir de una nebulosa por una sucesión de procesos secuenciales en los que los planetas se forman desde la misma nebulosa que su estrella.
Otras teorías
● Kuiper: El Sistema Solar es un sistema binario fracasado ya que Júpiter no llegó a convertirse en estrella. Hoy se sabe que esta hipótesis es falsa porque Júpiter posee un núcleo rocoso.
● Chamberlin: los planetas no se pueden condensar de una nebulosa gaseosa.
● Safronov: la acreción se produce a partir de partículas.
● Alven: estipula que la transferencia de momento angular se produce por la interacción del campo magnético del Sol y el campo magnético del plasma molecular.
● Cameron: la viscosidad del disco es la responsable de la transferencia de momento angular desde el So hasta los planetas.
3.-La investigación del Sistema Solar en la actualidad.
Adelantos actuales
● Beta Pictoris
Beta Pictoris
Fue en esta estrella donde se observó el primer disco de polvo, fuera del Sistema Solar, y en el que se han calculado que las partículas son de tamaño milimétrico. Ahora se han descubierto más discos que indican la formación de planetas.
● Teoría de la condensación de Lewis (1.972): la temperatura disminuye conforme nos alejamos del Sol, por lo que existe una zona entre los asteroides y Júpiter, a partir de la cual, se pueden formar partículas de hielo. Entonces, ¿cómo llegó a la Tierra? La composición de los planetas interiores se basa en silicatos.Es posible, que los planetas más alejados del Sol, por falta de calor, carezcan de sustancias metálicas y de minerales pesados.
Problemas actuales
● La Ley Titus-Bode. Wetheril hace simulaciones informáticas con 100 cuerpos planetesimales y obtiene que después de 4,41.106 años sólo quedarán cuatro cuya distancia es la que predice la ley. Pero este tiempo es mucho para lo observado.
● Cameron demuestra matemáticamente, que con el tiempo los planetas acaban colapsando dentro de su estrella.
● Explicamos demasiadas características mediante colisiones, por ejemplo, la inclinación de los planetas, la formación de la Luna, las características geológicas de Mercurio,…Además estas colisiones se tendrían que haber producido de una forma muy específica lo que reduce su probabilidad de suceso. Y lo mismo ocurre con los asteroides. Algunos parecen que son parte del núcleo de algún planetoide mientras que otros se dice que podrían estar formados por la corteza de un planeta que se desintegró por un impacto. Y más llamativo sería el caso de Urano, en el que la colisión se tendría que haber dado antes de la formación de su sistema de satélites.
● Formación de Júpiter y Saturno: En menos de diez millones de años después de la formación del Sol, el Sistema Solar es barrido por un fuerte viento solar que lo limpia de gas y de polvo. Antes de este proceso deberían formarse estos planetas que atrapen dicho gas conformando sus atmósferas, lo que plantea de nuevo la pregunta de cómo se formaron estos núcleos rocosos. Entonces surgió la teoría de que Júpiter, Saturno y además, Urano y Neptuno, se podrían haber formado por una inestabilidad en la nebulosa primordial, pero no soluciona el problema porque entonces no tendría explicación la composición química de cada planeta.
Planetas extrasolares
A pesar de los nuevos descubrimientos de exoplanetas, éstos no han conseguido ayudar nada en la elaboración de una teoría correcta que explique el origen del Sistema Solar. Para detectarlos, podemos utilizar dos métodos: o bien por las variaciones de brillo del sistema cuando el planeta transita por delante de la estrellas, o bien, por velocimetría provocada por lo efectos gravitatorios que se crean entre estrella y planeta. Además, cuando transitan por delante de su estrella, producen variaciones en el espectro de éstas que hacen que pueda estudiarse la composición de sus atmósferas.
Las propiedades de estos planetas son:
-Son muy masivos.
-Están muy cerca de sus estrellas.
-Las estrellas que albergan planetas tienen una metalicidad mucho más alta que el Sol, por lo que averiguando ésta, podemos buscar exoplanetas con más probabilidades de hallarlos.
-Migración de planetas: se propone que los planetas se han formado más lejos de las estrellas pero al ir frenándose en su órbita, se han ido acercando a ellas. Entonces,
¿por qué se frenan?
Proyecto Seti
Este proyecto ha sido sustituido por nuevas investigaciones encaminadas a aclarar el origen del Sistema Solar tomando el nombre de “Origin”.
Por último el ponente nos lee una cita de Alfonso X que expone claramente el problema del origen del Sistema Solar: “Si el altísimo me hubiese consultado, le habría recomendado hacer algo más sencillo”.
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Modelo platónico del 
