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 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 todavía es un tema de debate y varía en su posible composición desde la tradicional piedra/hierro, hasta hielo o 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 el 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 acceder a ellos mediante perforaciones y casi no hay muestras que sean definitivamente del núcleo. Por ello, 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 (posteriormente 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 en masa similar a los meteoritos de hierro, pero el hierro se había asentado en el interior de la Tierra, y más tarde representó esto integrando la densidad en masa de la Tierra con el hierro y el níquel faltantes como núcleo. [8] La primera detección del núcleo de la Tierra se produjo en 1906 por Richard Dixon Oldham tras el descubrimiento de la zona de sombra de la onda P ; el núcleo externo 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 externa líquida que constituye el 60% del volumen del núcleo, con un núcleo interno sólido. [13]
Los núcleos de los planetas rocosos se caracterizaron inicialmente mediante el análisis de datos de naves espaciales, como la Mariner 10 de la NASA que sobrevoló Mercurio y Venus para observar las características de su superficie. [14] Los núcleos de otros planetas no se pueden medir utilizando sismómetros en su superficie, por lo que en su lugar deben inferirse basándose en cálculos de estas observaciones de sobrevuelo. 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 media 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 está concentrada 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 la 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 ahí, la gravedad se hace cargo de producir embriones planetarios del tamaño de la Luna o Marte (10 5 – 10 6 años) y estos se desarrollan hasta convertirse en cuerpos planetarios en un período adicional de 10 a 100 millones de años. [21]
Lo más probable es que Júpiter y Saturno se formaran alrededor de cuerpos rocosos y/o helados previamente existentes, lo que convirtió a estos planetas primordiales en núcleos de gigantes gaseosos. [5] Este es el modelo de acreción de núcleos planetarios de formación de planetas.
La diferenciación planetaria se define ampliamente 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 aproxima como 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 silicato desarrollan anomalías positivas de Hf/W y los reservorios de metales adquieren anomalías negativas en relación con el material de condrita indiferenciado . [21] Las relaciones Hf/W observadas en meteoritos de hierro limitan la segregación de metales a menos de 5 millones de años, la relación Hf/W del manto de la Tierra ubica al núcleo de la Tierra como si se hubiera segregado dentro de los 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 masa fundida de silicato original.
Los impactos entre cuerpos del tamaño de planetas en el Sistema Solar primitivo son aspectos importantes en la formación y el 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 proto-Marte y otro planetoide diferenciado podría haber ocurrido en un lapso de 1.000 años o de 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 los demás metales refractarios en concentraciones muy bajas. [21] Esto deja al núcleo de la Tierra con un déficit de peso del 5-10% para el núcleo externo, [26] y un déficit de peso del 4-5% 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 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 se agota en la tierra de silicato; por lo tanto, puede representar el 1,9 % en peso del núcleo de la Tierra. [21] Con argumentos 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 lo tanto, sólo pueden representar entre el 0,1 y el 0,2 % en peso respectivamente. [21] El silicio y el oxígeno , por lo tanto, constituyen el déficit de masa restante del núcleo de la Tierra; aunque las abundancias de cada uno de ellos siguen 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 potasio en los núcleos planetarios de los planetas, y por lo tanto también potasio-40 . [27]
Las proporciones isotópicas de hafnio / tungsteno (Hf/W), cuando se comparan 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 de fraccionamiento del núcleo muy tempranos, también están agotados. [21] Las proporciones isotópicas de niobio / tántalo (Nb/Ta), cuando se comparan con un marco de referencia condrítico, muestran un agotamiento leve en el silicato a granel de la Tierra y la Luna. [28]
Se cree que las pallasitas se forman 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 impacto. [29]
La teoría del 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. Un dinamo requiere una fuente de flotabilidad térmica y/o compositiva como fuerza impulsora. [28] La flotabilidad térmica de un núcleo en enfriamiento por sí sola no puede impulsar la convección necesaria como lo indica el modelado, por lo que se requiere flotabilidad compositiva (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). Los ejemplos de flotabilidad compositiva incluyen la precipitación de aleaciones de hierro sobre el núcleo interno y la inmiscibilidad de líquidos, que podrían influir en la convección tanto positiva como negativamente dependiendo de las temperaturas ambientales 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 una fuente de calor para las capas externas de un planeta. En la Tierra, el flujo de calor sobre el límite del manto del núcleo 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 de calor primordial, o la cantidad de energía de la acreción. El enfriamiento a partir de esta temperatura inicial se denomina 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 cristalización se suma al flujo de calor hacia el manto. [30]
Los núcleos planetarios pequeños pueden experimentar una liberación catastrófica de energía asociada con cambios de fase dentro de sus núcleos. Ramsey (1950) descubrió que la energía total liberada por un cambio de fase de este tipo sería del orden de 10 29 julios; equivalente a la liberación total de energía debido a los terremotos a lo largo del tiempo geológico . Un evento de este tipo podría explicar el cinturón de asteroides . Tales cambios de fase solo ocurrirían en proporciones específicas de masa a volumen, y un ejemplo de un cambio de fase de este tipo sería la rápida formación o disolución de un componente sólido del núcleo. [31]
Todos los planetas rocosos interiores, así como la Luna, tienen un núcleo predominantemente de hierro. Venus y Marte tienen un elemento principal adicional en el núcleo. Se cree que el núcleo de Venus es de hierro y níquel, de manera similar a la Tierra. Por otro lado, se cree que Marte 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 líquida convectiva que interactúe con un núcleo interno sólido, ya que el núcleo de Venus no tiene capas. [19] 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 un dinamo. [20]
El conocimiento actual sobre los planetas exteriores del sistema solar, los gigantes de hielo y gas, sugiere la existencia de pequeños núcleos de roca rodeados por una capa de hielo, y en los modelos de Júpiter y Saturno se sugiere una gran región de hidrógeno metálico líquido y helio. [19] Las propiedades de estas capas de hidrógeno metálico son un área importante de controversia porque es difícil producirlas 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 desde el 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 temprano en la historia del Sistema Solar. [33] Mercurio tiene una corteza y un manto de silicato sólido que recubre una capa de núcleo externo metálico sólido, seguida de una capa de núcleo líquido 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 es probable que contenga níquel, silicio y quizás azufre y carbono, además de trazas de otros elementos. [34]
La composición del núcleo de Venus varía significativamente dependiendo del modelo utilizado para calcularlo, por lo que se requieren restricciones. [35]
La existencia de un núcleo lunar todavía es motivo de debate; sin embargo, si lo tiene, se habría formado de manera sincrónica con el 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 . Un núcleo de este tipo podría haber albergado un dinamo geomagnético en los inicios 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 5-10% para todo el núcleo y un déficit de densidad del 4-5% para el núcleo interno. [26] El valor Fe/Ni del núcleo está bien limitado por meteoritos condríticos . [26] El azufre, el carbono y el fósforo solo representan ~2,5% del componente de elemento ligero/déficit de masa. [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 acreción del núcleo, y por lo tanto el potasio-40 podría haber proporcionado una fuente importante de calor que contribuyó al dínamo 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 del núcleo ocurrió 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 parte sin resolver. [26]
Es posible que Marte haya albergado un campo magnético generado por su núcleo en el pasado. [28] La dinamo dejó de funcionar en 0,5 mil millones de años desde 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 alimentaba la dinamo marciana primitiva. [27]
La fusión del núcleo entre el proto-Marte y otro planetoide 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). [25] El calentamiento por impacto del núcleo marciano habría resultado en la estratificación del núcleo y habría matado el dinamo marciano por una duración de entre 150 y 200 millones de años. [25] El modelado realizado por Williams, et al. 2004 sugiere que para que Marte haya tenido un dinamo funcional, el núcleo marciano fue 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 un dinamo de mayor duración (más de mil millones de años). [2] Si el núcleo de Marte es líquido, el límite inferior para el azufre sería del cinco por ciento en peso. [2]
Se observa un campo magnético generado dentro de su núcleo metálico en Ganímedes . [28]
Júpiter tiene un campo magnético observado generado 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 que tiene entre 10 y 30 veces la masa de la Tierra, y es probable que este núcleo sea soluble en la envoltura de gas que lo cubre, por lo que su composición es primordial. Dado que el núcleo todavía existe, la envoltura exterior debe haberse acumulado originalmente sobre un núcleo planetario que ya existía. [5] Los modelos de contracción/evolución térmica respaldan la presencia de hidrógeno metálico dentro del núcleo en grandes cantidades (más que en 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 y/o hielo de 10 a 30 veces la masa de la Tierra, y este núcleo es probablemente soluble en la envoltura de gas que está encima, y por lo tanto es primordial en composición. Dado que el núcleo todavía existe, la envoltura debe haberse acumulado originalmente sobre núcleos planetarios previamente existentes. [5] Los modelos de contracción/evolución térmica respaldan la presencia de hidrógeno metálico dentro del núcleo en grandes abundancias (pero aún menos que Júpiter). [3]
Las misiones a los cuerpos del cinturón de asteroides proporcionarán más información sobre la formación de núcleos planetarios. Anteriormente se creía que las colisiones en el sistema solar se fusionaban por completo, pero trabajos recientes sobre cuerpos planetarios sostienen que los restos de las colisiones pierden sus 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 el campo de los exoplanetas crece y las nuevas técnicas permiten descubrir tanto exoplanetas diversos como sus núcleos, se van modelando. Estos dependen de las composiciones iniciales de los exoplanetas, que se infieren utilizando los espectros de absorción de exoplanetas individuales en combinación con los espectros de emisión de su estrella.
Un planeta ctónico se forma cuando un gigante gaseoso pierde su atmósfera exterior a causa de su estrella madre, probablemente debido a la migración del planeta hacia el interior. Lo único que queda del encuentro es el núcleo original.
Los planetas de carbono , que antes eran estrellas, se forman junto con la formación de un púlsar de milisegundos . El primer planeta descubierto de este tipo tenía 18 veces la densidad del agua y cinco veces el tamaño 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 lo hace probablemente cristalino como un diamante. [39]
PSR J1719-1438 es un púlsar de 5,7 milisegundos que tiene un compañero con una masa similar a la de Júpiter pero una densidad de 23 g/cm 3 , lo que sugiere que el compañero 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 joviales, 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 la formación de fases exóticas de agua en la superficie y dentro de sus núcleos. [41]
