Una vez resuelto el misterio de la gravedad, podremos responder a las grandes preguntas de la ciencia: ¿qué es el espacio? ¿Cuál es el tiempo de entrega? ¿Qué es el universo? ¿De dónde vino todo esto? El famoso autor de ciencia popular Marcus Chown te invita a un viaje fascinante, desde el momento en que la gravedad fue reconocida como fuerza física en 1666 hasta el descubrimiento de las ondas gravitacionales en 2015. Se está acercando un cambio tectónico en nuestras ideas sobre física, y este libro cuenta qué preguntas plantea el fenómeno de la gravedad ante nosotros.
Extracto Luna: intento de escapar
La influencia de las mareas de la Luna en la Tierra ralentiza el movimiento de nuestro planeta, reduciendo su momento de rotación. Existe un principio fundamental de la física, llamado conservación del momento durante la rotación, según el cual el par de un sistema aislado (cerrado) nunca cambia. Esto significa que si el momento de rotación de la Tierra disminuye, el momento de rotación de otro elemento del sistema debe compensar esto aumentando. En nuestro caso, solo hay una opción: la luna.
La atracción de la Luna crea dos golpes de marea en dos lados de la Tierra, pero el que aparece en el mismo lado que la Luna lo atrae con la mayor fuerza. Como ya sabemos, esta colina de marea generalmente pasa la luna en su órbita, porque la Tierra hace una revolución alrededor de su eje más rápido de lo que la luna pasa alrededor de ella. Por lo tanto, la gravedad de la Tierra arrastra a la luna hacia adelante en su órbita, dándole aceleración.
Tenga en cuenta que la fuerza gravitacional de la Tierra a una distancia de la Luna tiene exactamente el mismo valor que el necesario para doblar la trayectoria de un cuerpo que se mueve a velocidad lunar y darle la forma de una órbita cerrada, lo cual observamos. En consecuencia, si la luna se mueve demasiado rápido, su velocidad excederá la necesaria y saldrá de la órbita. En relación con la Tierra, "más allá de la órbita" significa hacia arriba, pero sabemos que si arrojas un cuerpo (por ejemplo, una pelota) hacia arriba, la gravedad ralentizará su vuelo. Paradójicamente, la Luna, acelerada por la interacción de las mareas con la Tierra, se mueve más lentamente con la distancia de la Tierra. Debido a esto, el par aumenta al valor requerido.
Y esto no es solo un razonamiento teórico. La nave espacial estadounidense tripulada Apollo 11, Apollo 14 y Apollon 15, así como los vehículos soviéticos no tripulados Lunokhod-1 y Lunokhod-2, dejaron reflectores en la superficie lunar. Estos espejos del tamaño de un puño también se llaman reflectores angulares, y pueden reflejar la luz exactamente en la dirección de donde proviene. Es decir, es posible dirigir el rayo láser hacia la luna para que se refleje desde el reflector angular, y luego medir el tiempo que regresa a la Tierra. Conociendo la velocidad de la luz, puede calcular fácilmente la distancia a la luna.
Los experimentos muestran que cada año la distancia que recorre un rayo desde la luna aumenta en 3,8 centímetros. En otras palabras, cada 12 meses la luna se aleja de la Tierra en una distancia aproximadamente igual a la longitud del pulgar. Si tienes 70 años, en tu vida ella ha recorrido un camino igual a la longitud de un automóvil.
Observación de eclipses totales.
El hecho de que cada año la luna esté a 3.8 centímetros de la Tierra significa que alguna vez estuvo mucho más cerca de nosotros. Y esto, a su vez, influyó en la aparición de eclipses totales, uno de los fenómenos naturales más impresionantes.
Como ya sabemos, un eclipse total ocurre cuando la Luna pasa entre la Tierra y el Sol, cubriendo el disco solar y proyectando una sombra sobre la Tierra. Es posible un eclipse total porque el Sol, aunque es 400 veces más grande que la Luna, está 400 veces más lejos de nosotros. Es por eso que el sol y la luna nos parecen del mismo tamaño en el cielo. Esta es una muy buena circunstancia para nosotros. A pesar del hecho de que hay más de 170 lunas en el sistema solar, es imposible observar un eclipse total desde cualquier planeta. Además, tuvimos suerte no solo con el lugar, sino también con el tiempo.
A medida que la Luna se aleja de la Tierra, en el pasado parecía más grande, y en el futuro se volverá más pequeña. Aparentemente, los primeros eclipses totales comenzaron hace unos 150 millones de años, y después de otros 150 millones de años no serán en absoluto. Los habitantes de la Tierra pueden observar eclipses completos solo por un corto período de su existencia. Por ejemplo, en la época de los dinosaurios no estaban allí.
El hecho de que la Luna se está alejando de la Tierra, y en el pasado estaba más cerca de ella, se combina perfectamente con la teoría de su origen.
El planeta que perseguía la Tierra.
La luna es demasiado grande en relación con la Tierra, y su diámetro es aproximadamente una cuarta parte del diámetro de nuestro planeta. Todas las demás lunas en el sistema solar parecen pequeñas al lado de sus planetas. Excepto Plutón, cuya luna es aún más grande en relación con su tamaño, pero desde 2006, Plutón ha dejado de ser considerado un planeta.
Este tamaño de la luna nos insinúa que su origen era inusual. Los científicos sugieren que hace 4.550 millones de años, cuando nuestro planeta acababa de formarse, colisionó con un cuerpo celeste con una masa aproximadamente igual a la masa de Marte (hoy este planeta hipotético se llama Theia). Las capas internas de la Tierra se convirtieron en un líquido, y parte de su manto salpicó al vacío. Se ha formado un anillo alrededor de nuestro planeta, similar a los rodeados por gigantes gaseosos en el sistema solar. A partir de este anillo, la Luna se formó rápidamente, cuya órbita en ese momento estaba diez veces más cerca de la Tierra. Después de eso, la luna comenzó a alejarse gradualmente de nuestro planeta.
La confirmación de la teoría de Big Burst se encontró durante el programa espacial Apollo American, gracias al cual sabemos que la composición de la Luna es similar a la composición del manto exterior de la Tierra. Además, las rocas lunares contienen mucha menos agua que los acantilados terrestres más secos. Esto confirma que alguna vez estuvieron expuestos a altas temperaturas. La única pregunta es: para que un cuerpo con la masa de Marte no destruya todo nuestro planeta, sino que solo cree la Luna, debe ir a lo largo de la tangente a la Tierra a una velocidad muy baja. Sin embargo, todos los cuerpos cósmicos que se mueven en órbitas alrededor del Sol (tanto dentro de la órbita de la Tierra como fuera de ella) son demasiado rápidos para esto.
La teoría de Big Burst solo funcionará si Teia estuvo una vez en la misma órbita que la Luna. Podría formarse a partir de escombros en un punto estable de Lagrange, es decir, 60 grados delante de la Tierra o detrás de ella en órbita alrededor del Sol. Hoy, los mismos fragmentos de asteroides se mueven en la órbita de Júpiter 60 grados delante de él y detrás de él, de modo que Júpiter parece estar flotando en el Mar de los Sargazos. Según la teoría de la Gran Explosión, Teia persiguió a la Tierra durante millones de años y luego se mudó a otra órbita, lo que provocó una colisión.
Dado que la fuerza gravitacional del cuerpo se debilita con el cuadrado de la distancia desde él, las fuerzas de marea, que se explican por la diferencia de atracción, disminuyen con el cubo de la distancia. La Luna recién formada estaba aproximadamente diez veces más cerca de la Tierra de lo que está ahora, lo que significa que la fuerza de marea con la que influyó en la Tierra fue
veces más que ahora. En ese momento, la Tierra aún no tenía océanos, pero si lo fueran, las aguas en ellos se elevarían dos veces al día, no en un par de metros, sino en kilómetros.
Pero no solo la Luna recién nacida influyó en la Tierra. La Tierra misma también actuó sobre ella con una fuerza de marea aumentada en 1000 veces. La inhibición del movimiento de la luna fue tan fuerte que, muy probablemente, se solucionó bastante temprano (durante unos diez millones de años después de su formación). Dado que los primeros microorganismos en la Tierra aparecieron mucho más tarde, hace unos 3.8-4 mil millones de años, ni una sola criatura viviente observó el reverso de la luna girando en el cielo nocturno.
La luna no siempre se movía a esa velocidad
Surge una pregunta interesante: ¿la Luna siempre se ha alejado de la Tierra a una velocidad de 3.8 centímetros por año? En 2013, un grupo de científicos dirigido por Matthew Huber de la Universidad de Purdue (West Lafayette, Indiana) descubrió cómo era esta situación hace 50 millones de años. Ingresaron datos sobre las profundidades de los océanos y los contornos de los continentes existentes en ese momento en un simulador de mareas por computadora y, según sus indicadores, concluyeron que en ese momento la Luna se alejaba de la Tierra más lentamente, probablemente dos veces.
Se trata del Océano Atlántico, que hoy es lo suficientemente ancho como para formar una gran joroba de marea, que afecta a la Luna y hace que retroceda lo suficientemente rápido; Hace 50 millones de años, el océano aún no había tomado su forma actual, por lo que su joroba de marea era más pequeña y su influencia en el movimiento de la luna era más débil. En ese momento, el Pacífico era responsable de la mayor parte del impacto de las mareas.
Este ejemplo es otra ilustración de cuán complejo es el sistema de mareas. Su altura y la fuerza con la que ralentizan el movimiento de la Tierra y aceleran la retirada de la luna, dependen de la facilidad con que las jorobas de marea puedan moverse a través del océano. Esto, a su vez, se debe a la ubicación de los continentes, que cambia constantemente debido a la deriva continental (tectónica de placas, como se la llama oficialmente).
Debido al hecho de que es imposible predecir el movimiento de las placas a largo plazo, tampoco podemos saber cuándo se ralentizará la rotación de la Tierra, de modo que siempre se gire hacia un lado de la Luna. Solo sabemos una cosa: para que la Tierra comience a hacer una revolución completa alrededor de su eje en 47 días, y la Luna se mueva tan lejos de ella que su trayectoria orbital también demore 47 días, deben pasar al menos diez mil millones de años. Ya sabemos que este es un escenario completamente hipotético, porque en este momento el Sol se convertirá en un gigante rojo aterrador, brillará 10.000 veces más que hoy y destruirá (o al menos cambiará significativamente) el sistema Tierra-Luna.
Las mareas tienen otra propiedad. Todos los días, cuando las olas ruedan en la costa y luego regresan al mar, recogen muchas piedras pequeñas. La fricción entre piedras que constantemente chocan entre sí genera energía térmica absorbida por el medio ambiente. Es una pérdida de energía tal que finalmente conduce a una desaceleración en la rotación de la Tierra.
Las mareas calientan un poco la Tierra, y si vas a nadar en el mar, ni la arena ni las piedras te quemarán los pies. Pero en el sistema solar hay un lugar donde las mareas generan mucha más energía térmica. Este es Io, el satélite gigante de Júpiter, descubierto por Galileo en 1609.
Pizza luna
8 de marzo de 1979 La sonda espacial Voyager-1 de la NASA vuela a través del sistema Júpiter más rápido que una bala, apresurándose para encontrarse con Saturno en 1980. Pero antes de que el gigante de gas deje la sonda para siempre, el equipo de control lo obliga a volver la cámara y tomar una foto de despedida de Io. Linda Morabito, la ingeniera de navegación, fue la primera en ver la imagen, cubriendo la distancia de 640 millones de kilómetros desde el Centro de Control de la Misión, y fue impresionante. Una columna de gas fosforescente brota de una pequeña y visible media luna.
Morabito fue el primero en la historia de la humanidad en ver los supervolcanes de Io. Al día siguiente, todo el equipo de gestión de Voyager se inclinó sobre fotografías ampliadas y datos de medición de temperatura. Descubrieron ocho pilares gigantes de gas, arrojando materia a cientos de kilómetros. Resultó que Io es el cuerpo cósmico más geológicamente activo del sistema solar, en el que se encuentran más de 400 volcanes. Los agujeros a través de los cuales se arrojan rocas anaranjadas, amarillas y marrones sobre la superficie de Io, haciéndolo parecer pizza, se parecen a los géiseres en el parque de Yellowstone. En cierto sentido, los volcanes Io son verdaderamente géiseres. La lava en ellos no escapa a la superficie, sino que calienta el dióxido de azufre líquido, ubicado directamente debajo de la corteza de Io, y se convierte en gas. Luego, el gas se lanza como el vapor en el géiser de la tierra.
Cada año, Io libera alrededor de 10,000 millones de toneladas de sustancia en el vacío, que luego cae a la superficie, cubriéndola con azufre, como la tierra alrededor de los géiseres en Yellowstone. Es por eso que Io parece una pizza gigante en las fotografías. Los colores brillantes son solo capas de azufre que tienen diferentes temperaturas.
La clave para comprender los super volcanes de Io es Júpiter, 318 veces la masa de la Tierra. Io está a la misma distancia que la luna de la tierra. Pero debido a la tremenda fuerza de gravedad de Júpiter, Io gira a su alrededor no en 27 días, como nuestra luna, sino en solo 1.7 días. La gravedad que actúa sobre las jorobas de las mareas de Io ha detenido su rotación durante mucho tiempo, por lo que ahora la luna se gira constantemente hacia su planeta por un lado. Imagínense qué tipo de vista se abrirá ante las personas si la nave espacial se sienta alguna vez en la superficie de Io: Júpiter y sus anillos nublados multicolores ocuparán una cuarta parte del cielo.
Como Io está fijo en una posición, las dos jorobas de marea que surgieron bajo la influencia de la atracción de Júpiter se dirigirán directamente hacia él y directamente desde él. No se moverán en piedra, como las jorobas terrestres se mueven en los océanos. Si sucediera algo así en Io, las rocas duras se estirarían y encogerían constantemente, calentándose gradualmente debido a la fricción (la pelota de goma que aprieta en la mano se calienta de la misma manera). Como esto no sucede, es lógico suponer que la temperatura de Io no aumenta bajo la influencia de las mareas de Júpiter.
Pero esto no es así.
Un papel clave en el calentamiento de Io lo juegan otras dos lunas descubiertas por Galileo, que se mueven en órbitas más distantes del planeta: Europa y Ganímedes. Ganímedes es la luna más grande del sistema solar y es más grande que Mercurio. En el tiempo que le toma a Io recorrer Júpiter cuatro veces, Europa lo hace dos veces y Ganímedes, una vez. Debido a esto, dos satélites se alinean periódicamente en una línea, lo que mejora su efecto en Io. Parecen tirar de Io a un lado, extendiendo su órbita. Por lo tanto, Io se mueve constantemente en la dirección de Júpiter o lejos de él. Es este movimiento el que hace que Io se caliente desde adentro.
Sí, las jorobas de marea de Io se dirigen directamente hacia y desde Júpiter. Pero cuando Io se acerca a su planeta, la joroba de marea crece, y cuando se va, la joroba disminuye. Debido al movimiento constante de la roca, se comprime o estira, y debido a este proceso, Io se calienta tanto que es el calor el que produce más calor por libra de peso en el Sistema Solar, y no el Sol.
El acertijo de Plutón y Caronte
El par Júpiter - Io no es el único en el Sistema Solar en el que dos cuerpos celestes que se mueven en órbitas alrededor del otro se fijaron en una posición tal que cada uno de ellos es visible solo en un lado del otro. También está Plutón y su gran luna Caronte.
Lo más interesante en Charon es que su diámetro es igual a la mitad del diámetro de Plutón. Gracias a esto, Plutón fue considerado un planeta con la luna más grande (en relación con su propio tamaño) en el sistema solar. Pero en 2006, la Unión Astronómica Internacional privó a Plutón del estado de un planeta y lo transfirió a la categoría de planetas enanos. Ahora es solo una de las muchas decenas de miles de escombros de hielo que orbitan alrededor del sol en el borde del sistema solar.
El Cinturón de Kuiper consiste en restos de hielo que quedan después de la aparición de los planetas. El planeta no funcionó con ellos porque eran demasiado escasos. El cinturón de Kuiper es similar al cinturón interno de los asteroides del Sistema Solar: otro vertedero de escombros de construcción planetaria que no se pudo concentrar en un punto bajo la influencia de la fuerza gravitacional de Júpiter.
El borde interno del cinturón de Kuiper comienza cerca de Neptuno (es decir, la distancia de este al Sol es aproximadamente 30 veces mayor que la de la Tierra), y el extremo externo a una distancia del Sol 50 veces más grande que el de la Tierra. A pesar del nombre, el ex soldado irlandés y astrónomo aficionado Kenneth Edgeworth predijo por primera vez la existencia de este cinturón en 1943, por lo que, para ser justos, debería haberse llamado el cinturón Edgeworth-Kuiper.
Plutón cumple con los dos criterios del planeta formulados por la Unión Astronómica Internacional en 2006: es redondo y se mueve en órbita alrededor del Sol. Pero dado que hay muchos objetos del cinturón de Kuiper junto a él, no cumple con el tercer requisito: una órbita libre en la que no hay otros cuerpos celestes.
El 14 de julio de 2015, la estación New Horizons de la NASA voló a través del sistema Plutón-Charon como un tren de alta velocidad, pasando a solo 14,000 kilómetros sobre el cuerpo celeste, que en el momento en que se despachó la estación todavía se consideraba un planeta. Los empleados del Centro de Control de Misión en la Tierra quedaron asombrados. Esperaban ver un mundo muerto e inmóvil, atado por el frío cósmico lejos del Sol. En cambio, los glaciares de nitrógeno y las montañas de hielo aparecieron ante ellos, cuyos picos estaban ocultos en remolinos de nubes delgadas. Lo más sorprendente es que la llamada región de Tombo (una mancha rosada en Plutón, con forma de nube y que lleva el nombre del explorador de Plutón, Clyde Tombo) no tenía un solo cráter, a diferencia del resto del planeta. Esto significaba que el hielo se formó aquí hace relativamente poco.
¿De dónde viene la energía para esta actividad inusual? Las capas internas de la Tierra se calientan debido a la radioactividad de uranio, torio y potasio, pero esto no es suficiente para calentar a Plutón. El calentamiento bajo la influencia de la fuerza de marea de Charon también está excluido, ya que un proceso similar es imposible en un sistema donde la luna se mueve en un círculo alrededor del planeta y ambos cuerpos celestes siempre se giran el uno hacia el otro lado. Sin embargo, esta regla solo funciona si Charon estaba en la órbita de Plutón en el momento de la formación del sistema solar, aproximadamente al mismo tiempo que la luna se convirtió en un satélite de la tierra. Si Plutón adquirió su satélite recientemente (en los últimos 500 millones de años), entonces el calentamiento bajo la influencia de las fuerzas de marea habría ocurrido y continuado hasta que Plutón y Caronte estuvieran fijos en su posición actual entre sí. Nadie sabe cómo fue realmente. Esta pregunta permanece abierta.
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