Júpiter, el Rey de los Planetas

Tras cinco años de viaje, este lunes la sonda Juno de la NASA llegó por fin a su destino: Júpiter. Durante 16 meses se dedicará a estudiar al gigante gaseoso, su atmósfera, su núcleo, su campo magnético, para tratar de desentrañar sus misterios, para desvelarnos qué ocultan esas nubes densas y tan variopintas. Con motivo de la llegada de la sonda a su destino, y siguiendo con lo que hice hace un año con lo que sabíamos de Plutón antes de la llegada de la sonda New Horizons, voy a aprovechar para hablar de Júpiter y su sistema de lunas, de lo que ahora conocemos de este gigante antes de que la nave llegue y lo ponga todo patas arriba.

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Ilustración artística de la llegada de la sonda Juno a Júpiter (fuente: nasa.gov)

¿Un planeta o casi una estrella?

Júpiter es el quinto planeta del Sistema Solar en distancia al Sol y uno de los cinco que son fácilmente identificables a simple vista desde la Tierra, pero si por algo lo conocemos es por ser el planeta más grande del Sistema Solar. Y para hacernos una idea de sus descomunales dimensiones hay que tener en cuenta que el Sol contiene más del 99% del total de la materia que forma nuestro sistema, de manera que todos los planetas, satélites, cometas y asteroides que conocemos, y aún nos quedan por conocer, representan menos del 1% del total del Sistema Solar. Pero ese ínfimo resto no se distribuye por igual, ya que la mayoría de esta materia está en Júpiter, un cuerpo que tiene una masa que es 2’5 veces la suma de la masa del resto de planetas. De hecho, si comparamos a Júpiter con el resto de sus compañeros vemos que tiene una masa tres veces mayor que Saturno y 318 veces la de la Tierra. Estos números marean, lo sé, pero aun así me gustaría dar unos pocos datos más y decir que el diámetro medio de Júpiter es de 142.984 km, mientras que el de Saturno es de 120.536 km, y ocupa un volumen que sería equiparable al de 1.317 planetas Tierra, aunque su densidad es muy inferior a la de nuestro planeta (1’33 mg/l frente a 5’515 mg/l). El adjetivo de “gigante” evidentemente le queda muy bien, ahora vamos a ver lo de “gaseoso”.

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Imagen de Júpiter en color real formada a partir de cuatro fotografías tomadas por la sonda Cassini de la NASA el 7 de diciembre de 2000 (fuente: NASA / JPL / University of Arizona)

La composición de Júpiter es todavía un pequeño misterio, aunque está bastante aceptado en la comunidad científica pensar que debe estar compuesto fundamentalmente por hidrógeno y helio, con capas externas gaseosas y posiblemente una capa de hidrógeno líquido, puede que también un núcleo rocoso (aunque yo personalmente lo dudo, eso Juno nos lo desvelará). En cualquier caso, Júpiter ha sido considerado tradicionalmente como una estrella abortada, lo que de no haber sido así habría convertido al Sistema Solar en un sistema binario, como los muchos que pueblan el universo. Pero gracias a la gran cantidad de exoplanetas descubiertos en las últimas décadas ahora sabemos que todavía le quedaba bastante para que se iniciasen las reacciones termonucleares en su interior, ya que en torno a otras estrellas hemos encontrado gigantes gaseosos varias veces más masivos que Júpiter, aunque sí es cierto que suelen tener radios muy similares al suyo. No obstante, la masa que tiene nuestro gigante es suficiente para darle una fuerza gravitatoria de 24’79 m/s2 (2’5 veces la gravedad terrestre), imprescindible para comprender el Sistema Solar tal cuál es. ¿Y eso por qué? Os podéis preguntar, y haríais bien en preguntároslo, ya que Júpiter se cree que está detrás de que el cinturón de asteroides sea un conjunto de millones de planetésimos que no pudieron formar un planeta, pero también podría estar detrás de las posiciones actuales del resto de planetas. Esta cuestión es todavía solo una hipótesis que ha surgido a partir de modelos matemáticos y simulaciones por ordenador que explican muchas de las características actuales del Sistema Solar tal y como lo conocemos. Este modelo, conocido como el Modelo de Niza, propone que el tirón gravitacional de Saturno y Júpiter cuando se alinearon por primera vez pudo ser suficiente para “mandar” al resto de planetas a sus posiciones actuales, alejando del Sol a Neptuno y Urano y desencadenando una gran cantidad de colisiones entre planetésimos en la parte interior del Sistema Solar (Bombardeo Intenso Tardío). Pero además de todo esto, la fuerte gravedad de Júpiter puede ser crucial para entender la vida en la Tierra, ya que también sabemos que es capaz de atraer hacía sí a numerosos cuerpos del Sistema Solar que tienen órbitas erráticas, cuerpos que acaban por colisionar en él y no en nuestro planeta. Esto lo sabemos porque lo hemos presenciado varias veces, aunque la más espectacular de todas ellas, posiblemente por ser la primera, ocurrió en julio de 1994 y la protagonizó el cometa Shoemaker-Levy 9, que fue atrapado por la fuerza gravitacional de Júpiter y acabó por estrellarse contra él, como podemos ver en el video de abajo. Es decir, Júpiter es la mayor pantalla antibólidos del Sistema Solar, aunque ya sabemos por el registro geológico que no es infalible (Las grandes extinciones en masa).

Son muchos los enigmas que aun rodean la figura de Júpiter, pero sí hay cosas que conocemos más o menos bien, y son las que mejor podemos ver: las capas más externas. Independientemente de lo que haya en su interior, Júpiter está cubierto por una densa atmósfera, la atmósfera planetaria más grande del Sistema Solar, muy acorde con las características de su huésped. En ella encontramos hidrógeno y helio en una proporción similar a la de las estrellas, pero también tenemos otras sustancias químicas como son metano, amoniaco, ácido sulfhídrico y vapor de agua. Dicha atmósfera está estructurada en la vertical en varias capas (troposfera, estratosfera, termosfera y exosfera) de diferente composición y distinto comportamiento físico que envuelven lo que podría ser una superficie de hidrógeno líquido, ya que las presiones y las temperaturas existentes a cierta profundidad vuelven al hidrógeno y al helio como líquidos supercríticos. La troposfera es la capa principal y es la que forma la superficie visible del planeta, y aunque su límite inferior no se conoce (se suele situar a una presión de 10 bares), su límite superior está muy bien delimitado por la tropopausa, identificada porque en ella las temperaturas suben bruscamente de 110 K a 200 K (de 373º C a 473º C). Esta capa atmosférica está compuesta por las nubes que vemos, de hielo de amoniaco, aunque bajo ellas se cree que hay nubes de hidrosulfuro de amonio y/o sulfuro de amonio, y más bajo aún se cree que puede haber nubes de agua, no existiendo nubes de metano porque las condiciones no permiten su condensación. Esta capa, que es la que mejor conocemos, está dividida en varias franjas latitudinales alternantes claras y oscuras, siempre separadas por fuertes chorros de aire, de manera que las diferencias de coloración que observamos y que le dan su aspecto tan característico al planeta se deben a la distinta opacidad de las nubes. Sobre la troposfera se encuentra la estratosera, con brumas formadas a partir de la acción de la radiación ultravioleta solar en el metano presente en la atmósfera, y por encima de ella tenemos la termosfera, donde se producen las constantes auroras polares y las emisiones de rayos X del planeta. Es muy importante aclarar que esta capa tiene unas temperaturas muy similares a las que tenemos en la atmósfera terrestre, algo que no concuerda con los modelos teóricos, que parten de la idea de que la radiación solar es el origen de esas temperaturas, porque ambos planetas están a distancias del Sol muy diferentes como para tener valores similares. Este es otro de los misterios de Júpiter que esperamos que Juno desentrañe, aunque ya hay algunos grupos de investigación que trabajan en dar una explicación a esta extraña anomalía térmica. Por último, la capa más externa de la atmósfera joviana es la exosfera, donde la densidad, la presión y la temperatura disminuyen progresivamente hasta que se da paso al medio interplanetario. Pero si algo nos llama la atención de la atmósfera de Júpiter es sin duda la Gran Mancha Roja, un enorme huracán que lleva en funcionamiento desde que Robert Hooke la observó por primera vez en el siglo XVII. Esta mancha, cuyo origen es todavía un misterio, es tan grande que podría alojar más de dos Tierras en su interior.

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La Gran Mancha Roja vista por la sonda Voyager 1 el 4 de marzo de 1979 (fuente: NASA / JPL)

Júpiter es enorme, de eso no hay duda, pero aunque cueste creerlo no es el segundo objeto más grande del Sistema Solar, ni si quiera el Sol es el objeto más grande. Ese puesto le corresponde a la magnetosfera de Júpiter, tan grande que se extiende hasta casi llegar a la órbita de Saturno. Esta estructura es en realidad la consecuencia de la interacción entre el viento solar y el fuerte campo magnético del planeta, generado a su vez por corrientes eléctricas que giran en torno a la capa de hidrógeno metálico líquido que se cree existe en el interior de Júpiter. Esta increíblemente poderosa magnetosfera es muy espectacular no solo por sus descomunales dimensiones, ya que produce las auroras de las regiones polares de un modo muy similar a lo que ocurre en nuestro planeta, pero a gran escala y de manera perpetua. Aunque sin duda lo más impresionante es que la magnetosfera, al interactuar con el medio interplanetario, produce ruido en forma de ondas de radio que pueden ser detectadas en la Tierra. Porque sí, Júpiter nos habla, tal y como descubrieron las Voyager al visitarlo y como podemos escuchar en el siguiente video.

El Sistema Joviano

Cuando Galileo observó por primera vez a Júpiter con su telescopio encontró no solo con que no era una estrella, sino que había cuerpos que parecían orbitar a su alrededor. Concretamente identificó a cuatro satélites naturales que ahora conocemos como lunas galileanas (Ganímedes, Calisto, Ío y Europa), que veremos con más detalle a continuación. Pero con los años nuestras observaciones han mejorado y ahora sabemos que estas cuatro lunas no son los únicos satélites naturales de Júpiter, ya que actualmente hay contabilizados un total de 67 cuerpos que orbitan al gigante gaseoso, algunos poco más que simples asteroides pero otros son auténticos mundos alienígenas. Si nos fijamos en la siguiente imagen podemos ver la relación de tamaño existente entre los cuatro satélites galileanos con respecto a otros cuerpos del Sistema Solar, entre ellos nuestra Luna y la Tierra, los dos satélites de Marte o los principales de Saturno.

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Comparación de tamaños de los principales satélites del Sistema Solar con respecto a la Tierra (fuente: solarsystem.nasa.gov)
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Ganímedes es el satélite más grande del Sistema Solar y tiene campo magnético propio (fuente: sos.noaa.gov)

Ganímedes es, con sus 5.262 km de diámetro, el satélite más grande de todo el Sistema Solar, una enorme luna que llega a rivalizar en dimensiones con alguno de los planetas rocosos, ya que Mercurio es más pequeño que él, aunque tenga más masa. De hecho, su composición es muy similar a la de los planetas rocosos, con una corteza compuesta de hielo que flota sobre un manto silicatado rico en agua y con un núcleo líquido rico en hierro que le permite tener su campo magnético propio. Es más, según las observaciones que hemos podido realizar hasta la fecha, es posible que la corteza de Ganímedes tenga placas tectónicas que han podido actuar en tiempos relativamente recientes y exista además una tenue atmósfera con oxígeno.

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Calisto visto desde la sonda Galileo en mayo de 2001, con numerosos astroblemas cubriendo toda su superficie (fuente: NASA / JPL)

Calisto es el más alejado de los cuatro satélites galileanos y el segundo en tamaño (4.821 km de diámetro), además de ser el único que no está en resonancia orbital con el resto (por cada vuelta de Ganímedes alrededor de Júpiter, Europa da dos e Ío cuatro). Su superficie tiene un gran albedo y está formada por una litosfera congelada de gran grosor que está saturada de cráteres de impacto, por lo que cada nuevo cráter borrará siempre a alguno anterior. La característica más llamativa de Calisto es que parece ser una esfera eléctricamente muy conductora, por lo que el campo magnético de Júpiter no puede penetrar en ella. Esta característica ha llevado a pensar que en este satélite existe una capa subsuperficial muy conductora que hace de jaula de Faraday y protege al interior del planeta del fuerte y mortal campo magnético joviano.

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Imagen de Ío compuesta a partir de varias fotografías tomadas entre los días 7 de septiembre y 6 de noviembre de 1996 por la sonda Galileo (fuente: wikipedia.org)

El satélite galileano más próximo a Júpiter es Ío, que con sus 3.643 km de diámetro es poco más grande que nuestra Luna. Se trata del cuerpo del Sistema Solar con mayor actividad volcánica, tan grande que en él no encontramos cráteres de impacto porque estos son inmediatamente borrados. El origen de tan importante vulcanismo se cree que es debido a su proximidad a Júpiter, cuya fuerte atracción gravitatoria produce un calentamiento por marea que mantiene fundido el interior del satélite. Es como si cogiéramos un huevo crudo y lo agitáramos constantemente, su interior quedaría completamente líquido y batido.

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Europa es uno de los lugares del Sistema Solar con más interés a la hora de buscar vida fuera de la Tierra (fuente: NASA / JPL)

Europa es el más pequeño de los satélites galineanos (3.122 km de diámetro) pero es también, junto con Ío, uno de los que mayor interés atrae, en este caso no por su actividad volcánica sino por su composición. Desde que fue observado por primera vez por las Voyager nos ha fascinado su superficie lista y blanca en la que podemos identificar grietas de diversas coloraciones. Todo esto nos ha llevado a pensar que en Europa estamos viendo una especie de glaciación global que afecta a todo el satélite. De hecho, está bastante aceptado que su superficie está formada por hielo que podría estar manteniendo aislado un océano de agua líquida en su interior, un océano global que muy probablemente sea de agua salada, ya que el satélite tiene un débil campo magnético propio. En el fondo de dicho océano es muy probable que tengamos además fumarolas, de manera que cuando la superficie helada se resquebraja, parte de las sales minerales que emanan dichas fumarolas salen al exterior y manchan el hielo superficial, lo que explicaría de una manera satisfactoria las coloraciones rojizas que tenemos en la superficie del satélite. Pero sin duda lo más interesante de Europa es el hecho de que, si todo lo que hemos dicho es correcto, que efectivamente existe un océano de agua salada bajo la superficie congelada y que tenemos fumarolas activas, nada impide que en Europa se haya desarrollado vida como la que tenemos en nuestro planeta en torno a las fumarolas de los fondos oceánicos, una vida que no requiere de la luz del Sol para prosperar. Por todo esto Europa es considerado el mejor candidato para albergar vida extraterrestre dentro del Sistema Solar.

Pero Júpiter no solo tiene una gran cantidad de lunas, ya que una de las características más desconocidas de nuestro gigante gaseoso es el hecho de que también tiene anillos. Vale que no son tan espectaculares como los de su vecino Saturno, pero eso no quita que tengan cierto atractivo científico. En total se han identificado cuatro anillos en torno a Júpiter formados principalmente por polvo interplanetario o por polvo desprendido de alguna de sus lunas, ya sea por impacto de bólidos o por géiseres y erupciones volcánicas relacionadas con las fuertes mareas que experimentan debido a la fuerza gravitatoria del gigante gaseoso.

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Los anillos de Júpiter no son tan espectaculares como los de Júpiter, aunque siguen siendo visibles, como muestra esta fotografía a contraluz de la sonda Galieo (fuente: NASA / JPL)

Historia de “nuestras” visitas a Júpiter

El lunes llegó Juno, pero esta no es la primera visita que hacemos al gigante gaseoso, ya que en total hemos enviado siete misiones no tripuladas. Las dos primeras sondas en llegar y explorar al planeta fueron las sondas del programa Pioneer, en la década de los 70’s. La Pioneer 10 llegó a Júpiter en diciembre de 1973 y fue la primera en tomar imágenes de cerca del planeta y de sus satélites galileanos, observó su atmósfera y detectó su campo magnético. De hecho, algunas de las mejores fotografías que tenemos de la atmósfera joviana, así como los primeros datos sobre su temperatura, corresponden a esta sonda que actualmente continua su viaje hacia el espacio interestelar, rumbo a la estrella Aldebarán. Trece meses después de ella llegó la Pioneer 11, que se acercó a 34.000 km de la capa de nubes, fotografió la Gran Mancha Roja y observó las regiones polares del planeta. Después de dejar al gigante gaseoso continuó su camino hacia Saturno.

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Una de las primeras imagenes en color, tomada por la sonda Pioneer 10 (fuente: nasa.gov)

A finales de la década de 1970 llegó el turno del Programa Voyager, sin duda uno de los más exitosos de la historia de la exploración espacial. La Voyager 1 empezó a tomar fotografías de Júpiter en enero de 1979, y aunque no se acercó tanto como la Pioneer 11, la mejora en los aparatos y su mayor resolución ha hecho que sean las imágenes que tomó esta sonda las que más conocemos. La Voyager 1 dejó Júpiter y continuó su camino rumbo a Saturno y hace unos años se convirtió en el primer objeto creado por el hombre en salir del Sistema Solar y adentrarse en el desconocido espacio interestelar. La Voyager 2 llegó a Júpiter en julio de 1979 y se acercó a 570.000 kilómetros de la capa de nubes del planeta, revelando una atmósfera de hidrógeno y helio con una dinámica mucho más compleja de lo que se creía hasta ese momento (imagen de abajo). Aunque sin duda el mayor descubrimiento de esta sonda en el Sistema Joviano fue descubrir que las estrías identificadas por su hermana en Europa eran en realidad grietas en una capa de hielo y no fracturas del terreno, como se había creído en un principio. Después de Júpiter, la Voyager 2 visitó Saturno, Urano y Neptuno, siendo de momento el único objeto que ha visitado a estos dos últimos planetas.

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Detalle de la atmósfera de Júpiter según nos la descubrió la sonda Voyager 2 (fuente: NASA / JPL)

La sonda Galileo es la más importante de todas las que ha visitado Júpiter hasta la fecha porque ha sido la única cuyo objetivo principal era precisamente el Sistema Joviano. Llegó al planeta en 1995 y durante siete años observó al gigante gaseoso y a varias de sus lunas, aportándonos una información muy importante de este mundo tan alejado. La sonda fue además testigo cuando se acercaba del impacto del cometa Shoemaker-Levy 9, lo que permitió comprender un poco mejor la composición del planeta. Pero sin duda lo más importante de esta misión fueron los datos que obtuvo de la atmósfera superficial de Júpiter, en la que llegó a meterse, y el hecho de que confirmó y observó por primera vez las nubes de amoniaco de su troposfera. Galileo también visitó algunos de los satélites y tomó fotos de varios de ellos. Esta sonda, a diferencia de las anteriores, fue destruida para que no pudiera acabar impactando en Europa y contaminar su océano subsuperficial, un objetivo que tenemos a largo plazo, de manera que en 2003 se dirigió al interior del planeta y desapareció.

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La caldera de Tupan, de origen volcánico, vista desde la sonda Galileo (fuente: NASA / JPL)

La última misión en visitar al gigante gaseoso ha sido la sonda Juno, que como anticipábamos al comienzo de esta entrada llegó a él el pasado lunes. Esta nueva misión, que ya es el cuerpo con impulso solar que más lejos ha viajado, pretende estudiar a fondo el planeta para tratar de comprender su origen y el del Sistema Solar. En los próximos meses se intentará crear un mapa detallado de la gravedad y del campo magnético de Júpiter, aclarar si tiene o no núcleo rocoso y tratar de comprender mejor cuál es el origen de la Gran Mancha Roja. Pero esta misión, antes incluso de llegar a su destino ya nos ha ofrecido maravillosas imágenes, como la de abajo, en la que podemos ver cómo es la distancia real entre la Tierra y la Luna.

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El sistema Tierra-Luna tal y como fue captado por la sonda Juno en agosto de 2011, a una distancia de 402.000 km (fuente: NASA / JPL / Caltech)

Estas son las principales misiones espaciales que han visitado a Júpiter con el objetivo de estudiarlo, pero no obstante ha habido otras más que han estado de visita. Por ejemplo, en 1992 llegó el planeta la sonda Ulysses, cuyo objetivo era en realidad observar el Sol desde diferentes posiciones. Más tarde, ya en el s. XXI, fue el turno de la nave Cassini-Huygens, que en su viaje hacia Saturno aprovechó para fotografiar a Júpiter y para hacer uno de los mapas a color más completos que tenemos de él (imagen de abajo). Y la más recientemente de todas ellas ha sido la conocida sonda New Horizons, que en su camino rumbo a Plutón aprovechó el tirón gravitacional de Júpiter para alcanzar mayor velocidad y también tomó algunas fotografías de él.

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Mapa polar de Júpiter realizado a partir de varias imágenes tomadas por la sonda Cassini los días 11 y 12 de diciembre de 2.000 (fuente: NASA / JPL / Space Science Institute)

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