Lunas de Plutón

Satélites naturales que orbitan alrededor de Plutón

• Arriba: La luna más grande de Plutón, Caronte , con su oscura mácula de Mordor
• En el medio: Hydra (izquierda) y Nix (derecha)
• Abajo: Kerberos (izquierda) y Styx (derecha)

(Imágenes no a escala)

El planeta enano Plutón tiene cinco satélites naturales . ^[1] En orden de distancia a Plutón, son Caronte , Estigia , Nix , Cerbero e Hidra . ^[2] Caronte, el más grande, está mutuamente bloqueado por mareas con Plutón, y es lo suficientemente masivo como para que Plutón y Caronte a veces se consideren un planeta enano binario . ^[3]

Historia

La luna más grande e interior, Caronte, fue descubierta por James Christy el 22 de junio de 1978, casi medio siglo después del descubrimiento de Plutón. Esto llevó a una revisión sustancial de las estimaciones del tamaño de Plutón, que previamente habían asumido que la masa observada y la luz reflejada del sistema eran todas atribuibles únicamente a Plutón.

El 15 de mayo de 2005, los astrónomos del equipo de búsqueda de compañeros de Plutón que se preparaba para la misión New Horizons y trabajaban con el telescopio espacial Hubble fotografiaron dos lunas adicionales, que recibieron las designaciones provisionales S/2005 P 1 y S/2005 P 2. La Unión Astronómica Internacional nombró oficialmente a estas lunas Nix (Plutón II, la luna interior de las dos, anteriormente P 2) e Hydra (Plutón III, la luna exterior, anteriormente P 1), el 21 de junio de 2006. ^[4] Kerberos, anunciado el 20 de julio de 2011, fue descubierto mientras se buscaban anillos plutonianos. El descubrimiento de Styx se anunció el 7 de julio de 2012 mientras se buscaban peligros potenciales para New Horizons . ^[5]

Las lunas pequeñas a escala aproximada, comparadas con Caronte.

Caronte

Caronte y Plutón, a escala. Foto tomada por la sonda New Horizons durante la aproximación.

Caronte tiene aproximadamente la mitad del diámetro de Plutón y es lo suficientemente masivo (casi una octava parte de la masa de Plutón) como para que el baricentro del sistema se encuentre entre ellos, aproximadamente a 960 kilómetros (600 millas) sobre la superficie de Plutón. ^{[6] [a]} Caronte y Plutón también están bloqueados por mareas, de modo que siempre presentan la misma cara uno hacia el otro. La Asamblea General de la UAI en agosto de 2006 consideró una propuesta para que Plutón y Caronte se reclasificaran como un planeta doble, pero la propuesta fue abandonada. ^[7] Al igual que Plutón, Caronte es una esfera perfecta dentro de la incertidumbre de medición. ^[8]

Lunas circumbinarias

Animación de las lunas de Plutón alrededor del baricentro de Plutón - Plano eclíptico

   Plutón  ·    Caronte  ·    Estigia  ·    Nada  ·    Kerberos  ·    Hidra

Las cuatro pequeñas lunas circumbinarias de Plutón orbitan a una distancia entre dos y cuatro veces la de Caronte, desde Estigia, a 42.700 kilómetros, hasta Hidra, a 64.800 kilómetros del baricentro del sistema. Tienen órbitas progradas casi circulares en el mismo plano orbital que Caronte.

Todas son mucho más pequeñas que Caronte. Nix e Hidra, las dos más grandes, tienen aproximadamente 42 y 55 kilómetros en su eje más largo respectivamente, ^[9] y Styx y Kerberos tienen 7 y 12 kilómetros respectivamente. ^{[10] [11]} Las cuatro tienen forma irregular.

Características

El sistema de Plutón es muy compacto y está prácticamente vacío: las lunas progradas podrían orbitar Plutón de forma estable hasta el 53% del radio de Hill (la zona gravitacional de influencia de Plutón) de 6 millones de km, o hasta el 69% en el caso de las lunas retrógradas. ^[12] Sin embargo, solo el 3% interior de la región donde las órbitas progradas serían estables está ocupado por satélites, ^[13] y la región desde Styx hasta Hydra está tan compacta que hay poco espacio para otras lunas con órbitas estables dentro de esta región. ^[14] Una intensa búsqueda realizada por New Horizons confirmó que no existen lunas con un diámetro mayor a 4,5 km a distancias de hasta 180.000 km de Plutón (el 6% de la región estable para las lunas progradas), suponiendo albedos similares a los de Caronte de 0,38 (para distancias menores, este umbral es aún menor). ^[15]

Se ha confirmado que las órbitas de las lunas son circulares y coplanares, con inclinaciones que difieren menos de 0,4° y excentricidades menores de 0,005. ^[16]

El descubrimiento de Nix e Hydra sugirió que Plutón podría tener un sistema de anillos . Los impactos de cuerpos pequeños podrían expulsar escombros de las lunas pequeñas que pueden formar un sistema de anillos. Sin embargo, los datos de un estudio óptico profundo realizado por la Cámara avanzada para sondeos del telescopio espacial Hubble , por estudios de ocultación, ^[17] y más tarde por New Horizons , sugieren que no existe ningún sistema de anillos.

Resonancias

Se cree que Styx, Nix e Hydra están en una resonancia orbital de Laplace de 3 cuerpos con períodos orbitales en una relación de 18:22:33. ^{[18] [19]} Las relaciones deberían ser exactas cuando se tiene en cuenta la precesión orbital . Nix e Hydra están en una resonancia simple de 2:3. ^{[b] [18] [20]} Styx y Nix están en una resonancia de 9:11, mientras que la resonancia entre Styx e Hydra tiene una relación de 6:11. ^[c] La resonancia de Laplace también significa que las relaciones de los períodos sinódicos son tales que hay 5 conjunciones Styx-Hydra y 3 conjunciones Nix-Hydra por cada 2 conjunciones de Styx y Nix. ^{[d] [18]} Si denota la longitud media y el ángulo de libración , entonces la resonancia se puede formular como . Al igual que ocurre con la resonancia de Laplace de los satélites galileanos de Júpiter, nunca se producen conjunciones triples. libra alrededor de 180° con una amplitud de al menos 10°. ^[18] ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle \Phi =3\lambda _{\rm {Styx}}-5\lambda _{\rm {Nix}}+2\lambda _{\rm {Hydra}}=180^{\circ }}$ ${\displaystyle \Phi }$

Todas las lunas circumbinarias exteriores también están cerca de la resonancia de movimiento medio con el período orbital de Caronte-Plutón. Styx, Nix, Kerberos e Hydra están en una secuencia de resonancias cercanas 1:3:4:5:6 , con Styx aproximadamente a un 5,4% de su resonancia, Nix aproximadamente a un 2,7%, Kerberos aproximadamente a un 0,6% e Hydra aproximadamente a un 0,3%. ^[21] Puede ser que estas órbitas se originaran como resonancias forzadas cuando Caronte fue impulsado por mareas a su órbita sincrónica actual, y luego liberado de la resonancia cuando la excentricidad orbital de Caronte fue amortiguada por mareas. El par Plutón-Caronte crea fuertes fuerzas de marea, con el campo gravitacional en las lunas exteriores que varía en un 15% de pico a pico. ^{[ cita requerida ]}

Sin embargo, se calculó que una resonancia con Caronte podría impulsar a Nix o a Hydra a su órbita actual, pero no a ambos: impulsar a Hydra habría requerido una excentricidad de Caronte cercana a cero de 0,024, mientras que impulsar a Nix habría requerido una excentricidad mayor de al menos 0,05. Esto sugiere que Nix e Hydra fueron material capturado, se formaron alrededor de Plutón-Caronte y migraron hacia el interior hasta que quedaron atrapados en resonancia con Caronte. ^[22] La existencia de Kerberos y Styx puede apoyar esta idea. ^{[ aclaración necesaria ] [ cita necesaria ]}

Rotación

Rotaciones de las pequeñas lunas de Plutón
(animación; 01:00; publicada el 10 de noviembre de 2015)

Antes de la misión New Horizons , se predijo que Nix , Hydra , Styx y Kerberos rotarían caóticamente o caerían . ^{[18] [23]}

Sin embargo, las imágenes de New Horizons descubrieron que no habían disminuido su rotación por marea hasta un estado cercano a un estado sincrónico de giro donde se esperaría una rotación caótica o un volteo. ^{[24] [25]} Las imágenes de New Horizons descubrieron que las 4 lunas tenían una alta oblicuidad. ^[24] O bien nacieron de esa manera, o fueron inclinadas por una resonancia de precesión de giro. ^[25] Styx puede estar experimentando variaciones de oblicuidad intermitentes y caóticas.

Mark R. Showalter había especulado que "Nix puede voltear todo su polo. De hecho, podría ser posible pasar un día en Nix en el que el sol salga por el este y se ponga por el norte. La forma en que gira es casi aleatoria". ^[26] Solo se sabe que otra luna, la luna de Saturno , Hyperion , da vueltas, ^[27] aunque es probable que las lunas de Haumea también lo hagan. ^[28]

Origen

Formación de las lunas de Plutón. 1: un objeto del cinturón de Kuiper se aproxima a Plutón ; 2: choca con Plutón; 3: se forma un anillo de polvo alrededor de Plutón; 4: los escombros se agregan para formar Caronte; 5: Plutón y Caronte se relajan en cuerpos esféricos.

Se sospecha que el sistema de satélites de Plutón se creó por una colisión masiva , similar al impacto de Theia que se cree que creó la Luna . ^{[29] [30]} En ambos casos, los altos momentos angulares de las lunas solo pueden explicarse por un escenario de este tipo. Las órbitas casi circulares de las lunas más pequeñas sugieren que también se formaron en esta colisión, en lugar de ser objetos capturados del Cinturón de Kuiper. Esto y sus resonancias orbitales cercanas con Caronte (ver más abajo) sugieren que se formaron más cerca de Plutón de lo que están en la actualidad y migraron hacia afuera cuando Caronte alcanzó su órbita actual. Su color gris es diferente al de Plutón, uno de los cuerpos más rojos del Sistema Solar. Se cree que esto se debe a una pérdida de volátiles durante el impacto o la coalescencia posterior, dejando las superficies de las lunas dominadas por hielo de agua. Sin embargo, un impacto de este tipo debería haber creado escombros adicionales (más lunas), pero New Horizons no descubrió lunas ni anillos , lo que descarta más lunas de tamaño significativo orbitando Plutón. ^[1]

Lista

Las lunas de Plutón se enumeran aquí por período orbital, desde la más corta hasta la más larga. Caronte, que es lo suficientemente masivo como para haberse colapsado en un esferoide bajo su propia gravedad, está resaltado en violeta claro. Como el baricentro del sistema se encuentra muy por encima de la superficie de Plutón, también se han incluido los elementos orbitales baricéntricos de Plutón. ^{[18] [31]} Todos los elementos se refieren al baricentro de Plutón-Caronte. ^[18] La distancia de separación media entre los centros de Plutón y Caronte es de 19.596 km. ^[32]

Modelo a escala del sistema de Plutón

• 
  Plutón y sus cinco lunas, incluida la ubicación del baricentro del sistema . Los tamaños y las distancias de los cuerpos están a escala.

Eventos mutuos

Vista simulada de Caronte en tránsito por Plutón el 25 de febrero de 1989

Los tránsitos ocurren cuando una de las lunas de Plutón pasa entre Plutón y el Sol. Esto ocurre cuando uno de los nodos orbitales de los satélites (los puntos donde sus órbitas cruzan la eclíptica de Plutón ) se alinea con Plutón y el Sol. Esto solo puede ocurrir en dos puntos en la órbita de Plutón; casualmente, estos puntos están cerca del perihelio y el afelio de Plutón. Las ocultaciones ocurren cuando Plutón pasa por delante y bloquea uno de los satélites de Plutón.

Caronte tiene un diámetro angular de 4 grados de arco visto desde la superficie de Plutón; el Sol parece mucho más pequeño, sólo de 39 a 65 segundos de arco . En comparación, la Luna vista desde la Tierra tiene un diámetro angular de sólo 31 minutos de arco , o poco más de medio grado de arco. Por lo tanto, Caronte parecería tener ocho veces el diámetro, o 25 veces el área de la Luna; esto se debe a la proximidad de Caronte a Plutón en lugar de al tamaño, ya que a pesar de tener poco más de un tercio del radio lunar, la Luna de la Tierra está 20 veces más distante de la superficie de la Tierra que Caronte de la de Plutón. Esta proximidad asegura además que una gran proporción de la superficie de Plutón pueda experimentar un eclipse. Debido a que Plutón siempre presenta la misma cara hacia Caronte debido al bloqueo de mareas, solo el hemisferio que mira hacia Caronte experimenta eclipses solares por Caronte.

Las lunas más pequeñas pueden proyectar sombras en otras partes. Los diámetros angulares de las cuatro lunas más pequeñas (tal como se ven desde Plutón) son inciertos. El de Nix es de 3 a 9 minutos de arco y el de Hydra es de 2 a 7 minutos. Estos son mucho más grandes que el diámetro angular del Sol, por lo que los eclipses solares totales son causados ​​por estas lunas.

Los eclipses de Styx y Kerberos son más difíciles de estimar, ya que ambas lunas son muy irregulares, con dimensiones angulares de 76,9 x 38,5 a 77,8 x 38,9 segundos de arco para Styx, y de 67,6 x 32,0 a 68,0 x 32,2 para Kerberos. Como tal, Styx no tiene eclipses anulares, su eje más ancho es más de 10 segundos de arco más grande que el Sol en su punto más grande. Sin embargo, Kerberos, aunque es un poco más grande, no puede producir eclipses totales ya que su eje menor más grande es de apenas 32 segundos de arco. Los eclipses de Kerberos y Styx consistirán completamente en eclipses parciales e híbridos, y los eclipses totales serán extremadamente raros.

El próximo período de eventos mutuos debido a Caronte comenzará en octubre de 2103, alcanzará su pico máximo en 2110 y finalizará en enero de 2117. Durante este período, los eclipses solares ocurrirán una vez cada día plutoniano, con una duración máxima de 90 minutos. ^{[38] [39]}

Exploración

El sistema de Plutón fue visitado por la sonda espacial New Horizons en julio de 2015. Se obtuvieron imágenes con resoluciones de hasta 330 metros por píxel de Nix y de hasta 1,1 kilómetros por píxel de Hydra. Se obtuvieron imágenes de menor resolución de Styx y Kerberos. ^[40]

Notas

1. "P1P2_motion.avi". Archivado desde el original (AVI) el 4 de noviembre de 2005.y baricentro para animaciones
2. La relación de 18:22:33 en la resonancia de 3 cuerpos corresponde a una resonancia de 2 cuerpos con relación 2:3 entre Hydra y Nix.
3. La relación de 18:22:33 en la resonancia de 3 cuerpos corresponde a una resonancia de 2 cuerpos con una relación de 9:11 entre Styx y Nix. Por analogía, la relación de 18:22:33 en la resonancia de 3 cuerpos corresponde a una resonancia de 2 cuerpos con una relación de 6:11 entre Styx e Hydra.
4. Esto se calcula de la siguiente manera: por cada órbita de Hydra hay órbitas de Nix y órbitas de Styx. Las conjunciones ocurren entonces a una tasa relativa de para Styx-Hydra, para Nix-Hydra y para Styx-Nix. Multiplicando las tres tasas por (para convertirlas en números enteros) se obtiene que hay conjunciones Styx-Hydra y conjunciones Nix-Hydra por cada conjunción Styx-Nix. ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle {\frac {33}{22}}={\frac {3}{2}}}$ ${\displaystyle {\frac {33}{18}}={\frac {11}{6}}}$ ${\displaystyle {\frac {11}{6}}-1={\frac {5}{6}}}$ ${\displaystyle {\frac {3}{2}}-1={\frac {1}{2}}}$ ${\displaystyle {\frac {11}{6}}-{\frac {3}{2}}={\frac {1}{3}}}$ ${\displaystyle 6}$ ${\displaystyle 5}$ ${\displaystyle 3}$ ${\displaystyle 2}$
5. La etiqueta se refiere a los números romanos atribuidos a cada luna en orden de su descubrimiento. ^[33]
6. La excentricidad orbital y la inclinación de Plutón y Caronte son iguales porque se refieren al mismo problema de dos cuerpos (aquí se descuida la influencia gravitatoria de los satélites más pequeños).
7. Muchos astrónomos utilizan esta pronunciación, la de Christy, en lugar de la clásica / ˈkɛərɒn / , pero ambas se consideran aceptables.

Referencias

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• Circular No. 8686 de la IAU, que informa sobre un color más neutral para el año 2005 P2
• Circular No. 8723 de la UAI anunciando los nombres de Nix e Hydra
• Información de fondo sobre los dos satélites de Plutón recién descubiertos – El sitio web de los descubridores de Nix e Hydra

Enlaces externos

• Scott S. Sheppard : Las lunas de Plutón
• Visualización 3D interactiva del sistema plutoniano
• Animación del sistema plutoniano
• El Hubble detecta posibles nuevas lunas alrededor de Plutón (NASA)
• Se descubren dos lunas más orbitando Plutón (SPACE.com)
• Sitio de la misión Nuevos Horizontes