Un núcleo planetario está formado por las capas más internas de un planeta . [1] Los núcleos pueden ser completamente líquidos o una mezcla de capas sólidas y líquidas como es el caso de la Tierra. [2] En el Sistema Solar , los tamaños del núcleo 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 todavía es un tema de debate y su posible composición varía desde el tradicional pétreo/hierro hasta el hielo o el hidrógeno metálico fluido . [3] [4] [5] Los núcleos de los gigantes gaseosos son proporcionalmente mucho más pequeños que los de los planetas terrestres, aunque pueden ser considerablemente más grandes que los de la Tierra; El de Júpiter es entre 10 y 30 veces más pesado que la Tierra [5] y el exoplaneta HD149026 b puede tener un núcleo 100 veces la masa de la Tierra. [6]
Los núcleos planetarios son difíciles de estudiar porque es imposible alcanzarlos mediante perforación y casi no hay muestras que sean definitivamente del núcleo. Así, se estudian mediante técnicas indirectas como la sismología, la física mineral y la dinámica planetaria.
En 1797, Henry Cavendish calculó que la densidad media de la Tierra era 5,48 veces la densidad del agua (luego refinada a 5,53), lo que llevó a la creencia aceptada de que la Tierra era mucho más densa en su interior. [7] Tras el descubrimiento de los meteoritos de hierro , Wiechert en 1898 postuló que la Tierra tenía una composición masiva similar a la de los meteoritos de hierro, pero el hierro se había asentado en el interior de la Tierra, y más tarde lo representó integrando la densidad aparente de la Tierra. con el hierro que falta y el níquel como núcleo. [8] 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 exterior líquido. [9] En 1936, los sismólogos habían determinado el tamaño del núcleo general, así como el límite entre el núcleo externo fluido y el núcleo interno sólido. [10]
La estructura interna de la Luna fue caracterizada en 1974 utilizando datos sísmicos recopilados por las misiones Apolo de terremotos lunares . [11] El núcleo de la Luna tiene un radio de 300 km. [12] El núcleo de hierro de la Luna tiene una capa exterior líquida que constituye el 60% del volumen del núcleo, con un núcleo interior sólido. [13]
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. [14] Los núcleos de otros planetas no se pueden medir utilizando sismómetros en su superficie, por lo que deben inferirse basándose en cálculos de estas observaciones sobrevuelos. La masa y el tamaño pueden proporcionar un cálculo de primer orden de los componentes que forman 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 . [15] El momento de inercia de un planeta diferenciado es inferior a 0,4, porque la densidad del planeta se concentra en el centro. [16] Mercurio tiene un momento de inercia de 0,346, lo que es evidencia de un núcleo. [17] Los cálculos de conservación de energía, así como las mediciones del campo magnético, también pueden limitar la composición, y la geología de la superficie de los planetas puede caracterizar la diferenciación del cuerpo desde su acreción. [18] Los núcleos de Mercurio, Venus y Marte tienen aproximadamente el 75%, 50% y 40% de su radio, respectivamente. [19] [20]
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 aquí, la gravedad toma el control para producir embriones planetarios del tamaño de la Luna a Marte (10,5 – 10,6 años ) y estos se desarrollan hasta convertirse en cuerpos planetarios durante 10 a 100 millones de años adicionales. [21]
Lo más probable es que Júpiter y Saturno se formaran alrededor de cuerpos rocosos y/o helados previamente existentes, convirtiendo a estos planetas primordiales anteriores en núcleos de gigantes gaseosos. [5] Este es el modelo de formación de planetas por acreción del núcleo planetario .
La diferenciación planetaria se define en términos generales como el desarrollo de una cosa a muchas cosas; cuerpo homogéneo a varios componentes heterogéneos. [22] El sistema isotópico hafnio-182 / tungsteno-182 tiene una vida media de 9 millones de años y se considera 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) se produjo en menos de 45 millones de años, los yacimientos de silicato desarrollaron anomalías positivas de Hf/W, y los yacimientos de metal adquirieron anomalías negativas en relación con el material de condrita indiferenciada . [21] Las relaciones Hf/W observadas en los meteoritos de hierro limitan la segregación de metales a menos de 5 millones de años, la relación Hf/W del manto de la Tierra sitúa al núcleo de la Tierra segregado en 25 millones de años. [21] Varios factores controlan la segregación de un núcleo metálico, incluida la cristalización de perovskita . La cristalización de perovskita en un océano de magma temprano es un proceso de oxidación y puede impulsar la producción y extracción de hierro metálico a partir de una fusión de silicato original.
Los impactos entre cuerpos del tamaño de planetas en el Sistema Solar temprano son aspectos importantes en la formación y crecimiento de planetas y núcleos planetarios.
La hipótesis del impacto gigante afirma que un impacto entre un planeta teórico del tamaño de Marte, Theia , y la Tierra primitiva formó la Tierra y la Luna modernas. [23] Durante este impacto, la mayor parte del hierro de Theia y la Tierra se incorporó al núcleo de la Tierra. [24]
La fusión del núcleo entre el protoMarte y otro planetoide diferenciado podría haber sido tan rápida como 1.000 años o tan lenta como 300.000 años (dependiendo de la viscosidad de ambos núcleos). [25]
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 otros metales refractarios en muy baja concentración. [21] Esto deja al núcleo de la Tierra con un déficit de peso del 5 al 10% para el núcleo externo, [26] y un déficit de peso del 4 al 5% para el núcleo interno; [26] que se atribuye a elementos más ligeros que deberían ser cósmicamente abundantes y son solubles en hierro; H, O, C, S, P y Si. [21] El núcleo de la Tierra contiene la mitad del vanadio y el cromo de la Tierra , y puede contener una cantidad considerable de niobio y tantalio . [26] El núcleo de la Tierra está empobrecido en germanio y galio . [26]
El azufre es fuertemente siderófilo y sólo moderadamente volátil y está agotado en la tierra de silicato; por tanto, puede representar el 1,9% en peso del núcleo de la Tierra. [21] Según argumentos similares, el fósforo puede estar presente hasta un 0,2 % en peso. El hidrógeno y el carbono, sin embargo, son muy volátiles y, por lo tanto, se habrían perdido durante la acumulación temprana y, por lo tanto, sólo pueden representar del 0,1 al 0,2 % en peso, respectivamente. [21] El silicio y el oxígeno constituyen así el déficit de masa restante del núcleo de la Tierra; aunque la abundancia de cada uno sigue siendo un tema de controversia que gira en gran medida en torno a la presión y el estado de oxidación del núcleo de la Tierra durante su formación. [21] No existe evidencia geoquímica que incluya elementos radiactivos en el núcleo de la Tierra. [26] 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 potencial para el potasio en los núcleos planetarios de los planetas y, por lo tanto, también para el potasio-40 . [27]
Las relaciones isotópicas hafnio / tungsteno (Hf/W), en comparación con un marco de referencia condrítico, muestran un marcado enriquecimiento en la tierra de silicato, lo que indica un agotamiento en el núcleo de la Tierra. Los meteoritos de hierro, que se cree que son el resultado de procesos muy tempranos de fraccionamiento del núcleo, también están agotados. [21] Las proporciones isotópicas de niobio / tántalo (Nb/Ta), en comparación con un marco de referencia condrítico, muestran un leve agotamiento en el silicato a granel de la Tierra y la Luna. [28]
Se cree que las palasitas se formaron en el límite entre el núcleo y el manto de un planetesimal temprano, aunque una hipótesis reciente sugiere que son mezclas de materiales del núcleo y del manto generadas por impactos. [29]
La teoría del dínamo es un mecanismo propuesto para explicar cómo los cuerpos celestes como la Tierra generan campos magnéticos. La presencia o falta 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 motriz. [28] La flotabilidad térmica de un núcleo de enfriamiento por sí sola no puede impulsar la convección necesaria como lo indica el modelado, por lo que se requiere flotabilidad composicional (de los 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, lo que podría influir en la convección tanto positiva como negativamente dependiendo de la temperatura ambiente y las presiones asociadas con el cuerpo anfitrión. [28] Otros cuerpos celestes que exhiben campos magnéticos son Mercurio, Júpiter, Ganímedes y Saturno. [3]
Un núcleo planetario actúa como fuente de calor para las capas exteriores de un planeta. En la Tierra, el flujo de calor a través del límite del manto central es de 12 teravatios. [30] Este valor se calcula a partir de una variedad de factores: enfriamiento secular, diferenciación de elementos ligeros, fuerzas de Coriolis , desintegración radiactiva y calor latente de cristalización. [30] Todos los cuerpos planetarios tienen un valor calorífico primordial, o la cantidad de energía procedente de la acreción. El enfriamiento a partir de esta temperatura inicial se llama enfriamiento secular, y en la Tierra el enfriamiento secular del núcleo transfiere calor a un manto de silicato aislante . [30] A medida que el núcleo interno crece, el calor latente de la cristalización se suma al flujo de calor hacia el manto. [30]
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 liberación total de energía debida a los terremotos a lo largo del tiempo geológico . Un evento así podría explicar el cinturón de asteroides . Tales cambios de fase sólo 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 central sólido. [31]
Todos los planetas interiores rocosos, así como la Luna, tienen un núcleo predominantemente de hierro. Venus y Marte tienen un elemento importante adicional en el núcleo. Se cree que el núcleo de Venus es hierro-níquel, al igual que la Tierra. Marte, por otro lado, se cree que tiene un núcleo de hierro y azufre y está separado en una capa líquida externa alrededor de un núcleo sólido interno. [20] A medida que aumenta el radio orbital de un planeta rocoso, el tamaño del núcleo en relación con el radio total del planeta disminuye. [15] 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. [15] Venus y Marte, así como la Luna, no tienen campos magnéticos. Esto podría deberse a la falta de una capa de líquido convectivo que interactúe con un núcleo interno sólido, ya que el núcleo de Venus no tiene capas. [19] Aunque Marte tiene una capa líquida y sólida, no parecen estar interactuando de la misma manera que los componentes líquidos y sólidos de la Tierra interactúan para producir una dinamo. [20]
La comprensión actual de los planetas exteriores del sistema solar, los gigantes gaseosos y de hielo, teoriza sobre pequeños núcleos de roca rodeados por una capa de hielo, y en Júpiter y Saturno los modelos sugieren una gran región de hidrógeno y helio metálicos líquidos. [19] Las propiedades de estas capas de hidrógeno metálico son un área importante de controversia porque es difícil de producir en entornos de laboratorio, debido a las altas presiones necesarias. [32] Júpiter y Saturno parecen liberar mucha más energía de la que deberían irradiar solo del sol, lo que se atribuye al calor liberado por la capa de hidrógeno y helio. Urano no parece tener una fuente de calor significativa, pero Neptuno tiene una fuente de calor que se atribuye a una formación "caliente". [19]
A continuación se resume la información conocida sobre los núcleos planetarios de determinados cuerpos no estelares.
Mercurio tiene un campo magnético observado, que se cree que se genera dentro de su núcleo metálico. [28] 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 puede haberse perdido en las primeras etapas de la historia del Sistema Solar. [33] Mercurio tiene una corteza de silicato sólido y un manto que se superponen a una capa central externa metálica sólida, seguida de una capa central líquida más profunda, y luego un posible núcleo interno sólido que forma una tercera capa. [33] La composición del núcleo rico en hierro sigue siendo incierta, pero probablemente contiene níquel, silicio y quizás azufre y carbono, además de trazas de otros elementos. [34]
La composición del núcleo de Venus varía significativamente según el modelo utilizado para calcularla, por lo que se requieren restricciones. [35]
La existencia de un núcleo lunar todavía se debate; sin embargo, si tuviera un núcleo, se habría formado sincrónicamente con el propio núcleo de la Tierra 45 millones de años después del inicio del Sistema Solar, según la evidencia de hafnio-tungsteno [36] y la hipótesis del impacto gigante . Es posible que un núcleo de este tipo haya albergado una dinamo geomagnética en las primeras etapas de su historia. [28]
La Tierra tiene un campo magnético observado generado dentro de su núcleo metálico. [28] La Tierra tiene un déficit de masa del 5 al 10% para todo el núcleo y un déficit de densidad del 4 al 5% para el núcleo interno. [26] El valor Fe/Ni del núcleo está bien limitado por los meteoritos condríticos . [26] El azufre, el carbono y el fósforo sólo representan ~2,5% del déficit de componente/masa del elemento ligero. [26] No existe evidencia geoquímica de la inclusión de elementos radiactivos en el núcleo. [26] Sin embargo, la evidencia experimental ha encontrado que el potasio es fuertemente siderófilo cuando se trata de temperaturas asociadas con la acumulación 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. [27] El núcleo contiene la mitad del vanadio y el cromo de la Tierra, y puede contener una cantidad considerable de niobio y tantalio. [26] El núcleo está empobrecido en germanio y galio. [26] La diferenciación del manto central se produjo dentro de los primeros 30 millones de años de la historia de la Tierra. [26] El momento de la cristalización del núcleo interno aún está en gran medida sin resolver. [26]
Marte posiblemente albergó en el pasado un campo magnético generado por su núcleo. [28] La dinamo cesó dentro de los 500 millones de años posteriores a la formación del planeta. [2] Los isótopos Hf/W derivados del meteorito marciano Zagami indican una rápida acreción y diferenciación del núcleo de Marte; es decir, menos de 10 millones de años. [23] El potasio-40 podría haber sido una fuente importante de calor que impulsó la dinamo marciana temprana. [27]
La fusión del núcleo entre el protoMarte y otro planetoide diferenciado podría haber sido tan rápida como 1.000 años o tan lenta como 300.000 años (dependiendo de la viscosidad de ambos núcleos y mantos). [25] El calentamiento por impacto del núcleo marciano habría dado lugar a la estratificación del núcleo y habría matado la dinamo marciana durante un período de entre 150 y 200 millones de años. [25] Modelado realizado por Williams, et al. 2004 sugiere que para que Marte tuviera una dinamo funcional, el núcleo marciano estaba inicialmente 150 K más caliente que el manto (de acuerdo con la historia de diferenciación del planeta, así como con la hipótesis del impacto), y con un núcleo líquido de 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 la cristalización habría impulsado una dinamo de mayor duración (más de mil millones de años). [2] Si el núcleo de Marte es líquido, el límite inferior del azufre sería el cinco % en peso. [2]
Ganímedes tiene un campo magnético observado generado dentro de su núcleo metálico. [28]
Se ha observado que Júpiter genera un campo magnético dentro de su núcleo , lo que indica que hay alguna sustancia metálica presente. [3] Su campo magnético es el más fuerte del Sistema Solar después del del Sol.
Júpiter 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 de arriba y, por lo tanto, de composición primordial. Dado que el núcleo todavía existe, la envoltura exterior debe haberse acumulado originalmente sobre un núcleo planetario previamente existente. [5] Los modelos de contracción/evolución térmica apoyan la presencia de hidrógeno metálico dentro del núcleo en grandes abundancias (mayores que las de Saturno). [3]
Saturno tiene un campo magnético observado generado dentro de su núcleo metálico . [3] El hidrógeno metálico está presente dentro del núcleo (en menor abundancia que Júpiter). [3] Saturno tiene un núcleo de roca o hielo de 10 a 30 veces la masa de la Tierra, y este núcleo probablemente sea soluble en la envoltura de gas de arriba y, por lo tanto, tiene una composición primordial. Dado que el núcleo todavía existe, la envoltura debe haberse acumulado originalmente en núcleos planetarios previamente existentes. [5] Los modelos de contracción/evolución térmica apoyan la presencia de hidrógeno metálico dentro del núcleo en grandes abundancias (pero aún menos que Júpiter). [3]
Las misiones a cuerpos en el cinturón de asteroides proporcionarán más información sobre la formación del núcleo planetario. Anteriormente se entendía que las colisiones en el sistema solar se fusionaban completamente, pero trabajos recientes sobre cuerpos planetarios sostienen que a los restos de colisiones se les quitan las capas externas, dejando atrás un cuerpo que eventualmente se convertiría en un núcleo planetario. [37] La misión Psyche , titulada “Viaje a un mundo de metal”, tiene como objetivo estudiar un cuerpo que posiblemente podría ser un núcleo planetario remanente. [38]
A medida que crece el campo de exoplanetas y las nuevas técnicas permiten el descubrimiento de ambos exoplanetas diversos, se están modelando los núcleos de los exoplanetas. Estos dependen de las composiciones iniciales de los exoplanetas, lo que se infiere utilizando los espectros de absorción de exoplanetas individuales en combinación con los espectros de emisión de su estrella.
Un planeta cthoniano se produce cuando la atmósfera exterior de un gigante gaseoso es despojada por su estrella madre, probablemente debido a la migración hacia el interior del planeta. Todo lo que queda del encuentro es el núcleo original.
Los planetas de carbono , anteriormente estrellas, se forman junto con la formación de un púlsar de milisegundos . El primer planeta de este tipo descubierto tenía 18 veces la densidad del agua y cinco veces el tamaño de la Tierra. Por 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; haciéndolo probablemente cristalino como un diamante. [39]
PSR J1719-1438 es un púlsar de 5,7 milisegundos que tiene una compañera con una masa similar a la de Júpiter pero con una densidad de 23 g/cm 3 , lo que sugiere que la compañera es una enana blanca de carbono de masa ultrabaja , probablemente el núcleo de una estrella antigua. [40]
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 tales mundos acuáticos darían como resultado la formación de fases exóticas de agua en la superficie y dentro de sus núcleos. [41]
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