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núcleo planetario

La estructura interna de los planetas interiores. La estructura interna de los planetas exteriores. El color de Neptuno está exagerado para diferenciarlo de Urano. [ 1 ] Un núcl...

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La estructura interna de los planetas interiores.
La estructura interna de los planetas exteriores. El color de Neptuno está exagerado para diferenciarlo de Urano. [ 1 ]

Un núcleo planetario consiste en las capas más internas de un planeta . [ 2 ] Los núcleos pueden ser completamente líquidos o una mezcla de capas sólidas y líquidas, como es el caso de la Tierra. [ 3 ] En el Sistema Solar , los tamaños de los núcleos varían desde aproximadamente el 20 % (la Luna ) hasta el 85 % del radio de un planeta ( Mercurio ).

Los gigantes gaseosos también tienen núcleos, aunque la composición de estos sigue siendo objeto de debate y varía en posibles composiciones desde la tradicional piedra/hierro, hasta hielo o hidrógeno metálico fluido . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Los núcleos de los gigantes gaseosos son proporcionalmente mucho más pequeños que los de los planetas terrestres, aunque pueden ser considerablemente más grandes que el de la Tierra; el de Júpiter es entre 10 y 30 veces más pesado que el de la Tierra, [ 6 ] y el exoplaneta HD149026 b puede tener un núcleo 100 veces más masivo que el de la Tierra. [ 7 ]

El estudio de los núcleos planetarios resulta complejo debido a la imposibilidad de acceder a ellos mediante perforación y a la casi inexistencia de muestras que provengan directamente de ellos. Por lo tanto, se estudian mediante técnicas indirectas como la sismología , la física de minerales y la dinámica planetaria.

Descubrimiento

núcleo de la Tierra

En 1797, Henry Cavendish calculó que la densidad promedio de la Tierra era 5,48 veces la densidad del agua (posteriormente refinada a 5,53), lo que llevó a la creencia aceptada de que la Tierra era mucho más densa en su interior. [ 8 ] Tras el descubrimiento de meteoritos de hierro , Emil Wiechert, en 1898, postuló que la Tierra tenía una composición global similar a la de los meteoritos de hierro, pero que el hierro se había depositado en el interior de la Tierra, y posteriormente representó esto integrando la densidad global de la Tierra con el hierro y el níquel faltantes como un núcleo. [ 9 ] La primera detección del núcleo de la Tierra ocurrió en 1906 por Richard Dixon Oldham tras el descubrimiento de la zona de sombra de la onda P ; el núcleo externo líquido. [ 10 ] Para 1936, los sismólogos habían determinado el tamaño del núcleo en general, así como el límite entre el núcleo externo fluido y el núcleo interno sólido. [ 11 ]

núcleo de la Luna

La estructura interna de la Luna se caracterizó en 1974 utilizando datos sísmicos recopilados por las misiones Apolo de sismos lunares . [ 12 ] El núcleo de la Luna tiene un radio de 300  km. [ 13 ] El núcleo de hierro de la Luna tiene una capa exterior líquida que constituye el 60% del volumen del núcleo, con un núcleo interno sólido. [ 14 ]

Núcleos de los planetas rocosos

Los núcleos de los planetas rocosos se caracterizaron inicialmente analizando datos de naves espaciales, como la Mariner 10 de la NASA que sobrevoló Mercurio y Venus para observar sus características superficiales. [ 15 ] Los núcleos de otros planetas no se pueden medir utilizando sismómetros en su superficie, por lo que en su lugar deben inferirse a partir de cálculos de estas observaciones de sobrevuelo. La masa y el tamaño pueden proporcionar un cálculo de primer orden de los componentes que conforman el interior de un cuerpo planetario. La estructura de los planetas rocosos está limitada por la densidad promedio de un planeta y su momento de inercia . [ 16 ] El momento de inercia para un planeta diferenciado es menor que 0,4, porque la densidad del planeta está concentrada en el centro. [ 17 ] Mercurio tiene un momento de inercia de 0,346, lo que es evidencia de un núcleo. [ 18 ] Los cálculos de conservación de energía, así como las mediciones del campo magnético, también pueden restringir la composición, y la geología superficial de los planetas puede caracterizar la diferenciación del cuerpo desde su acreción. [ 19 ] Los núcleos de Mercurio, Venus y Marte son aproximadamente el 75%, el 50% y el 40% de su radio respectivamente. [ 20 ] [ 21 ]

Formación

Acreción

Los sistemas planetarios se forman a partir de discos aplanados de polvo y gas que se acumulan rápidamente (en miles de años) hasta formar planetesimales de unos 10 km de diámetro. A partir de ahí, la gravedad toma el relevo para producir embriones planetarios  del tamaño de la Luna o Marte en un periodo de 0,1 a 1 millón de años, y estos se desarrollan hasta convertirse en cuerpos planetarios en un periodo adicional de 10 a 100 millones de años. [ 22 ]

Júpiter y Saturno probablemente se formaron alrededor de cuerpos rocosos y/o helados preexistentes, convirtiendo a estos planetas primordiales en núcleos de gigantes gaseosos. [ 6 ] Este es el modelo de acreción del núcleo planetario para la formación de planetas.

Diferenciación

La diferenciación planetaria se define ampliamente como el desarrollo de una cosa a muchas cosas; cuerpo homogéneo a varios componentes heterogéneos. [ 23 ] El sistema isotópico hafnio-182 / tungsteno-182 tiene una vida media de 9 millones de años, y se aproxima a un sistema extinto después de 45 millones de años. El hafnio es un elemento litófilo y el tungsteno es un elemento siderófilo . Por lo tanto, si la segregación de metales (entre el núcleo y el manto de la Tierra) ocurrió en menos de 45 millones de años, los reservorios de silicatos desarrollan anomalías positivas de Hf/W, y los reservorios de metales adquieren anomalías negativas en relación con el material condrítico no diferenciado . [ 22 ] Las proporciones de Hf/W observadas en meteoritos de hierro limitan la segregación de metales a menos de 5 millones de años, la proporción de Hf/W del manto de la Tierra sitúa al núcleo de la Tierra como segregado en 25 millones de años. [ 22 ] Varios factores controlan la segregación de un núcleo metálico, incluida la cristalización de la perovskita . La cristalización de la perovskita en un océano de magma primitivo es un proceso de oxidación y puede impulsar la producción y extracción de hierro metálico a partir de una masa fundida de silicato original.

Fusión de núcleos e impactos

Los impactos entre cuerpos del tamaño de planetas en el Sistema Solar primitivo son aspectos importantes en la formación y el crecimiento de los planetas y los núcleos planetarios.

Sistema Tierra-Luna

La hipótesis del gran impacto postula que un impacto entre un planeta teórico del tamaño de Marte, llamado Theia , y la Tierra primitiva formó la Tierra y la Luna actuales. [ 24 ] Durante este impacto, la mayor parte del hierro de Theia y de la Tierra se incorporó al núcleo terrestre. [ 25 ]

Marte

La fusión de los núcleos entre el proto-Marte y otro protoplaneta diferenciado podría haber ocurrido en tan solo 1000 años o en tan solo 300 000 años (dependiendo de la viscosidad de ambos núcleos). [ 26 ]

Química

Determinación de la composición primaria – Tierra

Utilizando el modelo de referencia condrítico y combinando composiciones conocidas de la corteza y el manto , se puede determinar el componente desconocido, la composición del núcleo interno y externo: 85% Fe, 5% Ni, 0,9% Cr, 0,25% Co y todos los demás metales refractarios en concentración muy baja. [ 22 ] Esto deja al núcleo de la Tierra con un déficit de peso del 5-10% para el núcleo externo, [ 27 ] y un déficit de peso del 4-5% para el núcleo interno; [ 27 ] que se atribuye a elementos más ligeros que deberían ser cósmicamente abundantes y son solubles en hierro; H, O, C, S, P y Si. [ 22 ] El núcleo de la Tierra contiene la mitad del vanadio y cromo de la Tierra, y puede contener niobio y tantalio considerables . [ 27 ] El núcleo de la Tierra está empobrecido en germanio y galio . [ 27 ]

Componentes del déficit de peso – Tierra

El azufre es fuertemente siderófilo y solo moderadamente volátil y empobrecido en la tierra silicatada; por lo tanto, puede representar el 1,9  % en peso del núcleo terrestre. [ 22 ] Por razones similares, el fósforo puede estar presente hasta en un 0,2  % en peso. El hidrógeno y el carbono, sin embargo, son altamente volátiles y, por lo tanto, se habrían perdido durante la acreción temprana y, por consiguiente, solo pueden representar entre el 0,1 y el 0,2  % en peso, respectivamente. [ 22 ] El silicio y el oxígeno, por lo tanto, constituyen el déficit de masa restante del núcleo terrestre; aunque las abundancias de cada uno siguen siendo objeto de controversia, que gira principalmente en torno a la presión y el estado de oxidación del núcleo terrestre durante su formación. [ 22 ] No existe evidencia geoquímica que incluya elementos radiactivos en el núcleo terrestre. [ 27 ] A pesar de esto, la evidencia experimental ha encontrado que el potasio es fuertemente siderófilo a las temperaturas asociadas con la formación del núcleo, por lo que existe la posibilidad de que haya potasio en los núcleos planetarios de los planetas y, por lo tanto, también potasio-40 . [ 28 ]

Composición isotópica – Tierra

Las proporciones isotópicas de hafnio / tungsteno (Hf/W), al compararse con un marco de referencia condrítico, muestran un marcado enriquecimiento en la Tierra silicatada, lo que indica un empobrecimiento en el núcleo terrestre. Los meteoritos de hierro, que se cree que son el resultado de procesos de fraccionamiento del núcleo muy tempranos, también están empobrecidos. [ 22 ] Las proporciones isotópicas de niobio / tantalio (Nb/Ta), al compararse con un marco de referencia condrítico, muestran un leve empobrecimiento en la Tierra silicatada en su conjunto y en la Luna. [ 29 ]

meteoritos pallasita

Se cree que las pallasitas se forman en el límite núcleo-manto de un planetesimal primitivo, aunque una hipótesis reciente sugiere que son mezclas de materiales del núcleo y del manto generadas por impactos. [ 30 ]

Dinámica

Dinamo

La teoría de la dinamo es un mecanismo propuesto para explicar cómo los cuerpos celestes, como la Tierra, generan campos magnéticos. La presencia o ausencia de un campo magnético puede ayudar a limitar la dinámica de un núcleo planetario. Consulte el campo magnético de la Tierra para obtener más detalles. Una dinamo requiere una fuente de flotabilidad térmica y/o composicional como fuerza impulsora. [ 29 ] La flotabilidad térmica de un núcleo en enfriamiento por sí sola no puede impulsar la convección necesaria, como lo indica el modelado; por lo tanto, se requiere flotabilidad composicional (debido a cambios de fase ). En la Tierra, la flotabilidad se deriva de la cristalización del núcleo interno (que puede ocurrir como resultado de la temperatura). Ejemplos de flotabilidad composicional incluyen la precipitación de aleaciones de hierro en el núcleo interno y la inmiscibilidad de líquidos, que podrían influir en la convección tanto positiva como negativamente, dependiendo de las temperaturas y presiones ambientales asociadas con el cuerpo anfitrión. [ 29 ] Otros cuerpos celestes que exhiben campos magnéticos son Mercurio, Júpiter, Ganímedes y Saturno. [ 4 ]

Fuente de calor del núcleo

Un núcleo planetario actúa como fuente de calor para las capas exteriores de un planeta. En la Tierra, el flujo de calor sobre el límite entre el núcleo y el manto es de 12 teravatios. [ 31 ] Este valor se calcula a partir de diversos factores: enfriamiento secular, diferenciación de elementos ligeros, fuerzas de Coriolis , desintegración radiactiva y calor latente de cristalización. [ 31 ] Todos los cuerpos planetarios tienen un valor de calor primordial, o la cantidad de energía proveniente de la acreción. El enfriamiento desde esta temperatura inicial se denomina enfriamiento secular, y en la Tierra, el enfriamiento secular del núcleo transfiere calor a un manto de silicatos aislante . [ 31 ] A medida que el núcleo interno crece, el calor latente de cristalización se suma al flujo de calor hacia el manto. [ 31 ]

Estabilidad e inestabilidad

Los núcleos planetarios pequeños pueden experimentar una liberación de energía catastrófica asociada con cambios de fase dentro de sus núcleos. Ramsey (1950) descubrió que la energía total liberada por tal cambio de fase sería del orden de 10²⁹ julios ; equivalente a la energía total liberada por terremotos a lo largo del tiempo geológico . Tal evento podría explicar el cinturón de asteroides . Tales cambios de fase solo ocurrirían en proporciones específicas de masa a volumen, y un ejemplo de tal cambio de fase sería la rápida formación o disolución de un componente sólido del núcleo. [ 32 ]

Planetas rocosos interiores

Todos los planetas rocosos interiores, así como la Luna, tienen un núcleo dominado por hierro. Venus y Marte tienen un elemento principal adicional en el núcleo. Se cree que el núcleo de Venus es de hierro-níquel, similar al de la Tierra. Marte, por otro lado, se cree que tiene un núcleo de hierro-azufre y está separado en una capa líquida externa alrededor de un núcleo sólido interno. [ 21 ] A medida que aumenta el radio orbital de un planeta rocoso, el tamaño del núcleo en relación con el radio total del planeta disminuye. [ 16 ] Se cree que esto se debe a que la diferenciación del núcleo está directamente relacionada con el calor inicial de un cuerpo, por lo que el núcleo de Mercurio es relativamente grande y activo. [ 16 ] Venus y Marte, así como la Luna, no tienen campos magnéticos. Esto podría deberse a la falta de una capa líquida convectiva que interactúe con un núcleo interno sólido, ya que el núcleo de Venus no está estratificado. [ 20 ] Aunque Marte tiene una capa líquida y una sólida, no parecen interactuar de la misma manera que los componentes líquidos y sólidos de la Tierra interactúan para producir una dinamo. [ 21 ]

Gigantes de gas y hielo exteriores

La comprensión actual de los planetas exteriores del sistema solar, los gigantes de hielo y gas, postula la existencia de pequeños núcleos rocosos rodeados por una capa de hielo, y en los modelos de Júpiter y Saturno se sugiere una gran región de hidrógeno y helio metálicos líquidos. [ 20 ] Las propiedades de estas capas de hidrógeno metálico son un tema de gran controversia, ya que es difícil producirlas en laboratorio debido a las altas presiones necesarias. [ 33 ] Júpiter y Saturno parecen liberar mucha más energía de la que deberían irradiar solo desde el sol, lo cual se atribuye al calor liberado por la capa de hidrógeno y helio. Urano no parece tener una fuente de calor significativa, pero Neptuno sí la tiene, atribuyéndola a una formación "caliente". [ 20 ]

Tipos observados

A continuación se resume la información conocida sobre los núcleos planetarios de determinados cuerpos no estelares.

Dentro del Sistema Solar

Mercurio

Mercurio tiene un campo magnético observado, que se cree que se genera dentro de su núcleo metálico. [ 29 ] El núcleo de Mercurio ocupa el 85% del radio del planeta, lo que lo convierte en el núcleo más grande en relación con el tamaño del planeta en el Sistema Solar; esto indica que gran parte de la superficie de Mercurio pudo haberse perdido al principio de la historia del Sistema Solar. [ 34 ] Mercurio tiene una corteza y un manto de silicato sólido que recubren una capa externa de núcleo metálico sólido, seguida de una capa de núcleo líquido más profunda, y luego un posible núcleo interno sólido que forma una tercera capa. [ 34 ] La composición del núcleo rico en hierro sigue siendo incierta, pero probablemente contiene níquel, silicio y quizás azufre y carbono, además de cantidades traza de otros elementos. [ 35 ]

Venus

La composición del núcleo de Venus varía significativamente según el modelo utilizado para calcularla, por lo que se requieren restricciones. [ 36 ]

Luna

La existencia de un núcleo lunar sigue siendo objeto de debate; sin embargo, si lo tuviera, se habría formado sincrónicamente con el núcleo terrestre 45 millones de años después del inicio del Sistema Solar, según la evidencia de hafnio-tungsteno [ 37 ] y la hipótesis del gran impacto . Dicho núcleo podría haber albergado una dinamo geomagnética en sus inicios. [ 29 ]

Tierra

La Tierra tiene un campo magnético observado generado dentro de su núcleo metálico. [ 29 ] La Tierra tiene un déficit de masa del 5-10% para todo el núcleo y un déficit de densidad del 4-5% para el núcleo interno. [ 27 ] El valor de Fe/Ni del núcleo está bien restringido por meteoritos condríticos . [ 27 ] El azufre, el carbono y el fósforo solo representan ~2,5% del componente de elementos ligeros/déficit de masa. [ 27 ] No existe evidencia geoquímica de incluir ningún elemento radiactivo en el núcleo. [ 27 ] Sin embargo, la evidencia experimental ha encontrado que el potasio es fuertemente siderófilo cuando se trata de temperaturas asociadas con la acreción del núcleo, y por lo tanto el potasio-40 podría haber proporcionado una fuente importante de calor que contribuyó a la dinamo de la Tierra primitiva, aunque en menor medida que en Marte rico en azufre. [ 28 ] El núcleo contiene la mitad del vanadio y cromo de la Tierra, y puede contener niobio y tantalio considerables. [ 27 ] El núcleo está empobrecido en germanio y galio. [ 27 ] La diferenciación núcleo-manto ocurrió dentro de los primeros 30 millones de años de la historia de la Tierra. [ 27 ] El momento de la cristalización del núcleo interno aún no se ha resuelto en gran medida. [ 27 ]

Marte

Es posible que Marte haya albergado un campo magnético generado en su núcleo en el pasado. [ 29 ] La dinamo cesó dentro de los 0,5 mil millones de años de la formación del planeta. [ 3 ] Los isótopos de Hf/W derivados del meteorito marciano Zagami indican una rápida acreción y diferenciación del núcleo de Marte; es decir, en menos de 10 millones de años. [ 24 ] El potasio-40 podría haber sido una fuente importante de calor que impulsó la dinamo marciana primitiva. [ 28 ]

La fusión del núcleo entre el proto-Marte y otro protoplaneta diferenciado podría haber sido tan rápida como 1000 años o tan lenta como 300 000 años (dependiendo de la viscosidad de ambos núcleos y mantos). [ 26 ] El calentamiento por impacto del núcleo marciano habría resultado en la estratificación del núcleo y habría matado la dinamo marciana durante un período de entre 150 y 200 millones de años. [ 26 ] El modelo realizado por Williams, et al. 2004 sugiere que para que Marte hubiera tenido una dinamo funcional, el núcleo marciano era inicialmente más caliente en 150 K que el manto (concordando con la historia de diferenciación del planeta, así como con la hipótesis del impacto), y con un núcleo líquido el potasio-40 habría tenido la oportunidad de dividirse en el núcleo proporcionando una fuente adicional de calor. El modelo concluye además que el núcleo de Marte es completamente líquido, ya que el calor latente de cristalización habría impulsado una dinamo de mayor duración (más de mil millones de años). [ 3 ] Si el núcleo de Marte es líquido, el límite inferior para el azufre sería del cinco por ciento en peso. [ 3 ]  

Ganímedes

Ganímedes tiene un campo magnético observado generado dentro de su núcleo metálico. [ 29 ]

Júpiter

Júpiter tiene un campo magnético observado generado dentro de su núcleo , lo que indica la presencia de alguna sustancia metálica. [ 4 ] Su campo magnético es el más fuerte del Sistema Solar después del del Sol.

Júpiter posee un núcleo rocoso y/o helado con una masa entre 10 y 30 veces mayor que la de la Tierra, y es probable que este núcleo sea soluble en la envoltura gaseosa superior, por lo que su composición es primordial. Dado que el núcleo aún existe, la envoltura exterior debió haberse acrecionado originalmente sobre un núcleo planetario preexistente. [ 6 ] Los modelos de contracción/evolución térmica respaldan la presencia de hidrógeno metálico en el núcleo en grandes abundancias (superiores a las de Saturno). [ 4 ]

Saturno

Saturno tiene un campo magnético observado generado dentro de su núcleo metálico . [ 4 ] El hidrógeno metálico está presente dentro del núcleo (en menor abundancia que en Júpiter). [ 4 ] Saturno tiene un núcleo de roca y/o hielo de 10 a 30 veces la masa de la Tierra, y este núcleo probablemente sea soluble en la envoltura de gas que lo rodea, por lo que su composición es primordial. Dado que el núcleo aún existe, la envoltura debe haberse acrecionado originalmente sobre núcleos planetarios preexistentes. [ 6 ] Los modelos de contracción/evolución térmica respaldan la presencia de hidrógeno metálico dentro del núcleo en grandes abundancias (aunque aún menores que en Júpiter). [ 4 ]

Núcleos planetarios remanentes

Las misiones a cuerpos del cinturón de asteroides proporcionarán más información sobre la formación del núcleo planetario. Anteriormente se creía que las colisiones en el sistema solar se fusionaban por completo, pero trabajos recientes sobre cuerpos planetarios sugieren que los remanentes de colisiones pierden sus capas exteriores, dejando un cuerpo que eventualmente se convertiría en un núcleo planetario. [ 38 ] La misión Psyche , titulada «Viaje a un mundo metálico», tiene como objetivo estudiar un cuerpo que podría ser un remanente de núcleo planetario. [ 39 ]

Extrasolar

A medida que el campo de los exoplanetas crece gracias a las nuevas técnicas que permiten el descubrimiento de diversos exoplanetas, se están modelando sus núcleos. Estos dependen de la composición inicial de los exoplanetas, la cual se deduce a partir de los espectros de absorción de cada exoplaneta, combinados con los espectros de emisión de su estrella.

planetas ctónicos

Un planeta ctónico se forma cuando un gigante gaseoso pierde su atmósfera exterior a manos de su estrella madre, probablemente debido a la migración interna del planeta. Lo único que queda del encuentro es el núcleo original.

Planetas derivados de núcleos estelares y planetas de diamante

Los planetas de carbono , que antes eran estrellas, se forman junto con la formación de un púlsar de milisegundos . El primer planeta de este tipo descubierto tenía una densidad 18 veces mayor que la del agua y un tamaño cinco veces mayor que el de la Tierra. Por lo tanto, el planeta no puede ser gaseoso y debe estar compuesto de elementos más pesados ​​que también son cósmicamente abundantes, como el carbono y el oxígeno; lo que probablemente lo haría cristalino como un diamante. [ 40 ]

PSR J1719-1438 es un púlsar de 5,7 milisegundos que tiene un compañero con una masa similar a la de Júpiter pero con una densidad de 23  g/cm³ , lo que sugiere que el compañero es una enana blanca de carbono de masa ultrabaja , probablemente el núcleo de una estrella antigua. [ 41 ]

planetas de hielo caliente

Los exoplanetas con densidades moderadas (más densos que los planetas jovianos, pero menos densos que los planetas terrestres) sugieren que planetas como GJ1214b y GJ436 están compuestos principalmente de agua. Las presiones internas de estos mundos acuáticos darían lugar a fases exóticas del agua que se formarían en la superficie y en sus núcleos. [ 42 ]

Referencias

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