Órbitas celestes

Nota: Esta entrada puede leerse dependiendo del nivel en física del lector.

- Rojo: Primer ciclo de Física
- Azul: Bachillerato
- Negro: Público general


- INTRODUCCIÓN
Las cónicas son curvas que surgen de dividiendo un cono con un plano. A este cono, estudiado en el siglo 3 a.C. por el matemático griego Apolonio, se le denomina "cono de Apolonio". Las secciones resultantes son la conocida circunferencia (muy valorada en la Antigüedad al ser relacionada con la perfección), la elipse, la parábola y la hipérbola.

 

Izquierda: cortes de un cono con un plano con diferentes inclinaciones || Derecha: representación de las diferentes cónicas en un plano

Circunferencia: Rojo. Elipse: verde a la izquierda, amarillo a la derecha. Parábola: morado a la izquierda, verde a la derecha. Hipérbola: Naranja a la izquierda, azul a la derecha. 

[Fuente 1] - [Fuente 2]

Por otra parte, Aristóteles pensaba que los materiales en el mundo sublunar, que incluía todo lo que hay ahora mismo a tu alrededor, estaban formados por cuatro elementos: Aire, Tierra, Fuego y Agua. Cada uno tenía unas tendencias concretas (por ejemplo, la tendencia de la Tierra era la de estar en su lugar natural de reposo: el centro del planeta) y no existían en nuestro mundo de forma absolutamente pura.

Sin embargo, los cuerpos celestes eran otro mundo. Estaban formados por la Quintaesencia, cuya tendencia natural era la de moverse en círculos. 

A medida que las observaciones astronómicas fueron haciéndose más precisas, y que más mentes se mostraban inconformes a la explicación "la luna gira porque es inherente a su naturaleza", se fueron desarrollando nuevas teorías.

Así, llegamos a J. Kepler quien, en la primera de sus tres leyes, postula que los planetas se mueven en órbitas elípticas alrededor del Sol, el cual se encuentra en uno de sus focos. Hoy día conocemos por el nombre de "afelio" al punto de dichas órbitas en el cual el planeta se encuentra más lejos del Sol, y "perihelio" al punto en el que se encuentran más cerca. Más sobre esto aquí.

El movimiento de la Tierra alrededor del Sol es con una elipse, estando en Sol en uno de los focos
 [Fuente]

Esto fue posteriormente avalado por Newton. De hecho, hay una famosa anécdota según la cual el científico Halley acudió a su despacho y le preguntó "¿qué trayectoria describirían los cuerpos si sobre ellos actúa una fuerza que decrece con el cuadrado de la distancia [hoy en día conocida como gravedad]?". "Elipses" - contestó Isaac Newton de forma automática. Kepler se quedó perplejo ante la respuesta: ¿Cómo lo sabes? - preguntó. "Porque lo he calculado" fue la respuesta de Newton.

En presencia únicamente de una fuerza como el peso (conservativa y central), podemos decir que la energía que tiene un cuerpo es exclusivamente energía mecánica. Ésta se compone, a su vez, de energía cinética (debida al movimiento, $E_k$), y energía potencial (debida a la presencia de un campo gravitatorio, $U(r)$):

$$\boxed{E = E_m = E_k + U(r) =  \frac{-GMm}{r} + \frac{1}{2}mv^2}$$

donde $G $ es la constante de gravitación universal, $M$ es la masa del cuerpo al que orbita la masa pequeña $m$ (es decir, $M$ sería la del Sol y $m$ la de un cometa o un planeta), $r$ es la distancia entre los dos cuerpos y $v$ la velocidad de la masa pequeña. 

Al mismo tiempo, la velocidad (recordemos que siempre es tangencial a la trayectoria), la podemos descomponer en velocidad radial, $v_r$ y velocidad polar, $v_{\theta}$: 

$$\vec{v} = \vec{v_r} + \vec{v_{\theta}} = v_r \hat{u_r} + v_{\theta} \hat{\theta}$$

Descomposición de la velocidad en velocidad radial y velocidad polar

Como podemos observar en el dibujo, si pasamos los vectores unitarios de coordenadas polares a cartesianas:

Representación de los vectores unitarios de las coordenadas polares

$\hat{u_r}=\cos(\theta) \hat{u_x} + \sin(\theta) \hat{u_y}$          (1)

$\hat{u_\theta} = - \sin(\theta) \hat{u_x} + \cos(\theta) \hat{u_y}$      (2)

Al mismo tiempo, sabemos, por su definición, que:

$$\vec{v}= \frac{d \vec{r}}{dt} = \frac{d}{d t} (r \hat{u_r}) + r \frac{d\hat{u_r}}{dt}$$ 

Podemos obtener la expresión de $\frac{d \hat{u_r}}{d t}$ derivando (1) con respecto al tiempo:

$$\frac{d \hat{u_r}}{d t} = (-\sin(\theta) \hat{u_x} + \cos(\theta) \hat{u_y}) \frac{d \theta}{dt} = \hat{u_{\theta}} \frac{d \theta}{d t}$$

Así, podemos concluir que:

$$\vec{v} = \frac{d r}{d t} \hat{u_r} + r \cdot \frac{d \theta}{d t} \hat{u_{\theta}}$$

Por lo tanto, en la ecuación de la energía podemos sustituir esto que acabamos de obtener en el módulo de la velocidad de la energía cinética, quedando:

$$\boxed{E = [ \frac{1}{2}m (\frac{d r}{d t})^2 + \frac{1}{2}m (\frac{d \theta}{d t} r)^2 ]+ U(r)}$$

Al mismo tiempo, sabemos que el momento angular es:

$$\vec{L}=m \vec{r} \times \vec{v} = m \vec{r} \times (\vec{v_{\theta}} +\vec{v_r}) = m(\vec{r} \times \vec{v_{\theta}} ) = m \vec{r} \times (r \frac{d \theta}{d t} \hat{u_{\theta}} )$$

* En el producto vectorial hemos eliminado el factor $\vec{r} \times \vec{v_r}$ porque son vectores paralelos, entonces su producto vectorial es nulo.

La velocidad polar $\vec{v_{\theta}}$ y el radiovector $\vec{r}$ forman 90º, por lo que podemos expresar el módulo del momento angular como:

$$L=mr^2  \frac{d \theta}{d t} = mr^2 \omega$$    (3)

Que es constante (la fuerza que estamos considerando es central).

Despejando de esta última expresión, (3), obtenemos:

$$\frac{d \theta}{d t} = \frac{L}{mr^2}$$

Nuevamente, podemos introducit este resultado en la expresión de la energía:

$$\boxed{E=\frac{1}{2}m(\frac{d r}{d t})^2 + \frac{L^2}{2mr^2} + U(r) }$$

Al factor $ \frac{L^2}{2mr^2} $ se le denomina potencial centrífugo, debido a que la fuerza que de él deriva es repulsiva y tiene dirección radial:

$$ \vec F_c = - \vec \nabla U_{centrifugo} =- \frac{\partial (L^2/2mr^2)}{\partial r} = \frac{L^2}{mr^3}$$

Al conjunto de potenciales (centrífugo y gravitatorio) se le denomina potencial efectivo:

$$\boxed{ E= \frac{1}{2}m(\frac{d r }{d t})^2 + U_{efectivo} }$$

Podemos representar este potencial efectivo gráficamente, obteniendo:

Grático de la energía potencial efectiva.
Verde: energía centrífuga. Azul: energía potencial gravitatoria

1. ¿Qué tipo de órbita se describe en cada caso?
Bien conocido es que cuanto mayor sea la velocidad con la que disparemos un cañón - obviando el hecho de que el ángulo adecuado es de $45$º-, más lejos llegará la bala. Si cada vez va llegando más lejos, llegará el momento en el que la velocidad sea tan elevada que podrá entrar en órbita con la Tierra. No caerá con un movimiento parabólico, como el de un balón de fútbol en un lanzamiento de falta, sino que ya no chocará contra el suelo. Se debe a que, aunque hay una fuerza que tira de dicho cuerpo hacia abajo (la gravedad), tiene velocidad tangencial. Por eso no cae verticalmente hacia la Tierra. Más información [Ciencia de Sofá]
A dicha velocidad se le denomina velocidad orbital, y le permite orbitar circularmente alrededor de la una masa $M$, como podría ser la de la Tierra.

La velocidad de escape terrestre, de aproximadamente 40.000 km/h, es la necesaria para que un cuerpo escape de la atracción gravitatoria de nuestro planeta

Así, podemos considerar diferentes tipos de órbita: circular, elíptica, parabólica e hiperbólica. 

a) Órbita circular. En esta órbita, la velocidad es constante:
$$v_{orbital} = \sqrt{ \frac{GM}{r} }$$

Además, en cada punto, la velocidad es perpendicular al radiovector. 

No sólo la velocidad es constante, sino que también lo es el radio

$$r=\frac{v^2}{GM}$$

Esto implica que la velocidad radia es nula y, por lo tanto, la energía es igual únicamente al potencial efectivo:

$$E= U_{efectivo} = \frac{L^2}{2mr^2} + U(r)$$

Esto se desarrollará en el siguiente apartado.

Como el cuerpo sigue indefinidamente orbitando el cuerpo, decimos que está ligado; esto es, con la energía que tiene, no puede escapar de la atracción gravitatoria de la masa $M$. Por ello, su energía total es negativa, y corta a la gráfica del potencial efectivo en un sólo punto: $r_0$, del cual no puede salir. En dicho punto, además, la energía potencial efectiva es mínima (con las implicaciones con respecto a las fuerzas que veremos en el apartado 2).

En un órbita circular, la energía total es negativa y corta con la energía efectiva en un solo punto: el radio de dicha órbita

Tratándolo con potenciales efectivos, podemos comprobar que obtenemos un único valor para el cual la velocidad radial es cero: $r_0$, debido a que éste, como se ha dicho, en un movimiento circular, es constante:

$$E= \frac{1}{2} \frac{-GMm}{r}$$

Despejando el radio:

$$r=\frac{-GMm}{2E}$$
Donde se ve que, efectivamente, $r$ es constante para un nivel muy concreto de energía, y que ésta ha de ser negativa porque el radio es positivo.

Puedes leer algo más de órbitas circulares en esta entrada.

b) Órbita elíptica:
En esta órbita, el cuerpo no puede dejar de orbitar a la masa $M$, como ocurría en el caso de la órbita circular. Se dice, por lo tanto, que ambas son órbitas cerrdas: con su energía no pueden escapar del campo gravitatorio; es decir, no pueden ir hasta el infinito. Por ello, su energía total es negativa.
Sin embargo, hay dos puntos en los cuales la velocidad radial es cero (es decir, en estos dos puntos, la velocidad total es únicamente velocidad polar, sin ninguna componente radial). Estos puntos, uno mayor que el otro, corresponden, respectivamente, con el afelio y el perihelio en el caso de cuerpos orbitando alrededor del Sol.

Es decir, cuando $v_r=0$:
$$E= \frac{L^2}{2mr^2} + \frac{-GMm}{r} $$
Despejando el radio:

$$r=\frac{-2GMm^2 +- \sqrt{4G^2M^2m^4 + 8mEL^2} }{4mE}$$

Como se ve, hay dos soluciones. Una, considerando la raíz positiva, es $r_1$, el equivalente al perihelio. La otra, $r_2$, mayor que $r_1$, correspondería con el afelio.

En una órbita elíptica, la energía total es negativa y corta la energía efectiva en dos puntos. Se encuentra en un pozo de potencial: oscila continuamente desde $r_1$ a $r_2$

Igualmente, podemos observar que, para un nivel dado de energía, puede haber diferentes valores para el momento angular $L$ que determinan cómo es el radio. Dicho de otro modo: para un mismo nivel de energía, puede haber diferentes excentricidades de órbitas, que vienen determinadas por el valor de $L$. Esto se cumple para todos los tipos de órbitas menos en la circular, pues en ella $L$ toma un único valor.

Imagen que muestra cómo son las órbitas dependiendo de la excentricridad. Si ésta es 0, tenemos una circunferencia. [Fuente]

c) Órbita parabólica
En esta, $E=0$. Corresponde a una órbita abierta en la que el cuerpo, en $r_0$, tiene un valor para la velocidad muy característico: la velocidad de escape. Por lo tanto, un cuerpo que describa una órbita parabólica puede llegar al infinito (escapar de la atracción gravitatoria), pero en el infinito tiene una velocidad nula. 

Como en los demás casos, el punto en el que dicha energía corta con el potencial efectivo corresponde al punto en el que su velocidad radial es cero:

$$E=\frac{L^2}{2mr^2} + \frac{-GMm}{r} = 0$$
Por lo que:
$$\frac{L^2}{2mr^2}= \frac{GMm}{r}$$
De donde:
$$r_{min}= \frac{L^2}{2GMm^2}$$

En una órbita parabólica la energía total es cero, y corta con la energía potencial efectiva en un solo punto: el radio mínimo de acercamiento al centro de fuerzas. Sin embargo, puede estar tan lejos del mismo como quiera ($r_{max} \to \infty$)

Es decir, este es el radio mínimo, $r_{min}$, o la máxima distancia que puede el cuerpo acercarse al centro de fuerzas (a la masa $M$).

d) Órbita Hiperbólica
Se caracteriza porque $E>0$. Es una órbita abierta en la que el cuerpo, en el infinito, tiene velocidad no nula. Es decir, puede escapar de la atracción gravitatoria y aún le sobra energía como para tener velocidad.

Representación de una órbita hiperbólica

Al igual que la órbita parabólica, sólo corta con el potencial efectivo en un punto, que corresponde, igualmente, a la máxima distancia que se puede acercar al centro de fuerzas:
$$r=\frac{-2GMm^2 +- \sqrt{4G^2M^2m^4 + 8mEL^2} }{4mE}$$

Como $E>0$ y $r>0$, debe cogerse únicamente la raíz positiva:

$$ r_{min} = \frac{-2GMm^2 + \sqrt{4G^2M^2m^4 + 8mEL^2}}{4mE}$$

En una órbita hiperbólica la energía es mayor que cero y corta a la energía efectiva en un sólo punto. Es decir, la masa $m$ se acerca desde el infinito a la masa $M$ hasta que se encuentra, en $r_{min}$, una barrera de potencial que le obliga a alejarse nuevamente

2. ¿Cuál es el carácter de la fuerza en cada tramo?

Observación: Tengamos en cuenta la fuerza neta:

$$ \vec{F_N} =- \frac{\partial U_{efectivo}}{\partial r} =\frac{- \partial U_{centrifugo}}{\partial r} + \frac{- \partial U(r)}{\partial r} = \vec{F}_{centrifuga} + \vec{F_g} = - \vec{F_{radial}} + \vec{F_g} $$

2.1) Desde 0 hasta $r_0$:

a) Sobre el carácter de la fuerza neta: 

Podemos ver que $U_{efectivo}$ disminuye, entonces: 
$$\frac{d U_{efectivo}}{d r} < 0 \to F_N> 0$$ 

Es decir, en este tramo la fuerza es repulsiva. 

Como 
$$F_N > 0 \to \vec {F}_{centrigufa} + \vec{F_g} > 0$$
Como el potencial gravitatorio aumenta, $\vec F_g <0$, pero el potencial centrífugo aumenta, por lo que  $\vec F_{centrifuga}>0$, entonces:
$$ {F_{centrifuga}} - F_g > 0 \to F_{centrifuga}>F_g$$

Es decir, en este tramo, la fuerza que lo empuja a seguir avanzando (en este caso, hacia $r_0$) es mayor que la que lo empuja hacia el centro de fuerzas. Por lo tanto, a corto alcance, predomina la fuerza centrífuga sobre la gravitatoria.

2.2) En $r_0$:

Tenemos que $\frac{d U(r)}{d r} = 0 \to F_N= 0$. Es decir, la fuerza neta que actúa sobre el cuerpo es cero; es una posición de equilibrio. Como además corresponde con un mínimo ($\frac{d^2U(r)}{d r^2} <0$), es un punto de equilibrio estable (es decir, se desplace un poco a la derecha o a la izquierda, la fuerza tiende a que vuelva a dicha posición de $r_0$).

Como
 $$F_N = 0 \to \vec{F_g} + \vec{F_{centrifuga}} = 0 \to \vec {F_g} = - \vec F_{centrifuga} \to \vec F_g = \vec F_{radial}$$

¿Y cuánto vale, en este punto, la fuerza radial? Este punto de equilibrio, $r_0$, corresponde, para los cuerpos que tienen la energía mecánica adecuada, el radio de la órbita circular. Sin embargo, todos los cuerpos pasan también por este punto, aunque tengan una trayectoria muy diferente de la circular. Es decir, un cuerpo como un cometa que describe una órbita hiperbólica, pasa por el mismo punto que un cuerpo que orbita de manera circualr; las trayectorias coinciden en dicho punto. Y es bien sabido que en un movimiento circular, tenemos que $\vec F_g = \vec F_{centripeta}$, con lo que nos encontramos que, para cualquier cuerpo, independientemente de su trayectoria:

$$\vec F_g = \vec F_{c} \to F_g =F_c \to \frac{GMm}{r^2}=m \frac{v^2}{r}$$

De esta igualdad pueden obtenerse muchos datos para el movimiento circular, como la velocidad orbital o el período del movimiento, como ya vimos en esta entrada anterior.

$$v_{orbital}= \sqrt{ \frac{GM}{r} }$$
O también: $$T_{orbital} = 2 \pi \sqrt{ \frac{r^3}{GM} }$$

- Si se trata de un movimiento circular, tenemos que en $r_0$ la velocidad radial ($v_r= \frac{1}{2}m (\frac{d r}{d t})^2$) es 0 (la velocidad total en un movimiento circular es perpendicular al radiovector, de forma que no hay componente radial). Por ello:

$$E = 0 + \frac{L^2}{2mr^2} + U(r)$$

Pero, como es circular, $L=rmv$, y $v=v_{orbital}$: corresponde con la velocidad orbital, escrita líneas atrás. Por ello:

$$E= \frac{r^2m^2 (GM/r)}{2mr^2} + \frac{-GMm}{r} = \frac{GMm}{2r} + \frac{-GMm}{r}$$

Así:
$$E = \frac{-GMm}{2r} = \frac{1}{2} U(r)_{orbital}$$

Resultado ya conocido: la energía total de un cuerpo que orbita una masa $M$ en una órbita circular de radio $r$ es la mitad de la energía potencial total (observar que el que la energía total sea negativa quiere decir que el cuerpo está ligado, reslutado lógico ya que se trata de una órbita circular, en la que el cuerpo no consigue escapar de la atracción gravitaroria y sigue girando alrededor de la masa)

- Si el movimiento no fuera circular, la única peculiaridad habría sido que la energía cinética radial no es negativa. De hecho, en la gráfica coincide con la resta de la energía total y el potencial centrífugo que, como se ve a simple vista, en $r_0$ dista mucho de ser 0:

$$E= \frac{1}{2}m (\frac{d r}{d t})^2  +  \frac{r^2m^2 (GM/r)}{2mr^2} + \frac{-GMm}{r}  $$

En $r_0$ también se cumple que la fuerza centrípeta es igual a la fuerza de la gravedad, y la velocidad polar coincide con la velocidad de un movimiento circular: $v_{\theta}=v_{orbital}$, de forma que:


$$E=\frac{1}{2}m ( \frac{d r}{d t})^2 \frac{-GMm}{2r} = \frac{1}{2}m ( \frac{d r}{d t})^2 + \frac{1}{2} U(r)_{orbital}$$

2.3) Desde $r_0$ en adelante:

La energía potencial aumenta, por lo que la fuerza es atractiva (es decir, es negativa).

$$F_N < 0 \to \vec F_g + \vec F_{centrifuga} < 0 \to F_{centrifuga} -F_g< 0 \to F_{centrifuga} > F_g $$

Es decir, la fuerza radial, perpendicular a la trayectoria, es mayor que la que lo empuja hacia la masa $M$. O dicho de otra forma: en las grandes distancias, es el potencial centrífugo el que toma protagonismo sobre el gravitatorio.

2.4) Conclusión

La fuerza que deriva de un potencial se expresa de la forma: $\vec{F} = - \vec \nabla U$, lo que significa que la naturaleza tiende a que el cuerpo esté en un estado de mínima energía. Por lo tanto, si avanzamos por un lado por el que la energía aumenta (desde $r_0$ hacia el origen, o desde $r_0$ en adelante), la fuerza tiende a empujarlo hacia $r_0$, pues éste es el punto en el que tiene menor energía.

Carácter de la fuerza. En la naturaleza, ésta tiende a que el cuerpo se encuentre en su estado de mínima energía

3. Resumen
Los planetas pueden orbitar al Sol describiendo diferentes trayectorias. Según la I Ley de Kepler, los planetas lo hacen describiendo elipses. Sin embargo, son de tan baja excentricidad que en algunos casos, como el de la Tierra, podemos considerar que son circnuferencias.
En cualquier caso, estas dos trayectorias (circular y elíptica), se caracterizan porque los planetas siguen siempre girando alrededor del Sol; están "atados" a él. Por eso se dice que son órbitas cerradas.
Otros cuerpos sí pueden escapar de la atracción del Sol, y continuar su viaje por el espacio. Esto sucede cuando tienen la energía suficiente, y se les llama órbitas abiertas. Son las parábolas y las hipérbolas.

Como hemos dicho, todo depende de la energía que tenga el cuerpo. A continuación haremos un breve resumen en una tabla:

Perseidas 2015

Era una despejada noche de verano aquella, en la antigua Grecia, y un hombre caminaba ajeno de lo que a su alrededor sucedía. En verdad, era un tipo extraño, amante de sus momentos de soledad y de su privacidad. Aquella noche, ese extraño hombre iba mirando el cielo, posiblemente pensando en lo brillantes que se veían aquellos puntos, o preguntándose qué serían. 

Tan absorto iba en sus pensamientos, que no vio el hoyo que se encontraba frente a él. Grande tuvo que ser el golpe, pues todos los que por allí pasaban se pararon a observar al “tipo raro”. Una mujer ya entrada en años, se le acercó y con sorna le dijo “¡No ves lo que tienes a tus pies y pretendes ver lo que hay sobre tu cabeza!”. Enseguida estallaron las risas de quienes se encontraban alrededor. El hombre, aún refunfuñando por su caída, siguió andando. No sabemos el nombre de la mujer ni de las otras personas. Pero el hombre, aquel hombre extraño del que se burlaron, era Tales, Tales de Mileto.

Tales de Mileto (624 a.C. - 546 a.C. )

¿Qué tiene ese cielo para que un hombre tan brillante, tan absorto que estaba mirándolo, se cayera? Esto lo puedes responder tú mismo en una despejada noche, aún con los efectos de la contaminación lumínica. El color oscuro del cielo contrasta con esos puntos brillantes, las estrellas. Es más, algunos de esos puntos no son estrellas, sino planetas. El punto más brillante es Venus. Es decir, estás mirando a un mundo de tamaño similar al nuestro cuya superficie se encuentra a unos 460 ºC.

Planeta Venus

Y algunas veces, además, pueden verse algunas cosas aún más extrañas. Ejemplo de ello son los cometas. Antiguamente, por las teorías de Aristóteles, se pensaba que los cometas, en vez de venir del propio espacio, eran exhalaciones de nuestra atmósfera. Sin embargo, las primeras mediciones y observaciones chocaron contra esta teoría, y en el siglo XVIII ya se sabía que su origen era exterior a la Tierra.

En la Edad Media, la población creía ciegamente en la astrología; esto es, pensaba que los fenómenos estelares (posición de estrellas y planetas, aparición de cometas…) afectaban a nuestra vida diaria. De hecho, la palabra “desastre” en realidad significa “mala estrella”. Los cometas solían, por lo tanto, significar que algo malo iba a ocurrir. Ejemplo de esta creencia es la pintura del año 1528, de un médico francés, que muestra a un cometa como una espada (la cola del cometa) y una cabeza ensartada (el núcleo).

Pintura de 1528

Igualmente, en aquella época, cuando se estaba de luto, las mujeres llevaban el pelo suelto, pues querían decir que tenían tanto dolor que no querían ni tenían tiempo para arreglarse el pelo. Por ello, algunos cometas fueron representados como mujeres ancianas con el pelo suelto.

Una mujer con el pelo suelto representando a un cometa, presagio de que ocurriría alguna tragedia

Hoy día sabemos que son algo así como bolas de nieve. Los cometas están constituidos por roca y hielo. Son cuerpos que forman parte del Sistema Solar y que siguen órbitas con un período elevado (el propio cometa Halley se acerca a la Tierra cada 76 años). Cuando están aún lejos del Sol, podemos apreciar en los cometas una envuelta alrededor del núcleo del propio cometa, que está compuesta de polvo y gas. A esta envuelta se le llama “coma”.

Si nosotros acercamos una bola de nieve a una vela, veremos cómo comienza a derretirse. Igualmente, cuando el cometa, que en su composición se encuentra el hielo, se acerca el Sol, cuya superficie está a unos 6.000 ºC, suelta polvo y gas. El viento solar azota a la coma y se forma una cola, una cola de iones. Por otra parte, también se forma otra cola, pero formada por polvo, que va en dirección contraria a la del movimiento del cometa, igual que sucede con una bandera en un vehículo.

A medida que el cometa se acerca al Sol va, por lo tanto, perdiendo masa. Si se acerca demasiado, o si lleva ya muchos años pasando una y otra vez, el cometa se desintegra, quedando pequeños fragmentos de roca, llamados meteoroides. Estos fragmentos pueden quedar en cualquier lado, incluyendo en la órbita de planetas. Es decir, hay fragmentos de cometas (trozos de roca) en la órbita de nuestro planeta. Por ello, cuando la Tierra pasa por ahí, choca con ellos. Estos fragmentos atraviesan la atmósfera de la Tierra y, normalmente, se desintegran en ella debido a la fricción de la caída hacia el suelo. Lo que vemos es una brillante luz en el cielo a la que llamamos “estrella fugaz”. En realidad, el nombre técnico para “estrella fugaz” es “meteoro”.

Pero como hay más de un fragmento en la misma zona (a la cual se le llama “radiante”), lo que obtenemos es una caída continua de trozos de roca que se van a desintegrar en la atmósfera; es decir, es una lluvia de estrellas. Y éstas no son nuevas. De hecho, se sabe que ya en el siglo II a.C. en China se presenció una. Cuando un meteoro o estrella fugaz es especialmente brillante se le llama “bólido”. 

Por otra parte, si ese fragmento de cometa inicial (meteoroide), consigue atravesar toda la atmósfera terrestre y finalmente colisiona contra la superficie, se le llama meteorito.

Hay muchos cometas, aunque probablemente el más famoso es el Cometa Halley, que tiene un período de 76 años y que volverá a pasar por nuestro planeta en el año 2061. Pero no es el único. Hay otro cometa importante, llamado  Swift-Tuttle, que tarda 133 años en dar una vuelta al Sistema Solar. Éste va dejando restos de gas y partículas rocosas, fruto de su acercamiento al Sol, en la órbita de la Tierra. Aunque son muy pequeñas, tienen una velocidad tan grande (más de 200.000 km/h) que pueden ser observados a simple vista.

Cometa Halley

La constelación de la bóveda celeste donde se encuentra el radiante (punto del que parecen venir todas las estrellas fugaces o meteoros) es la que le da el nombre a la lluvia de estrellas. En este caso, es la constelación de Perseo (en honor al famoso héroe de la mitología griega que, por ejemplo, rescató a Andrómeda de un monstruo marino convirtiéndolo en piedra gracias a la cabeza de Medusa), por lo que a esta lluvia se le llama “Perseidas”.

El semidiós Perseo con la cabeza de Madusa

El nombre de “Lágrimas de San Lorenzo” se debe a que coincide la lluvia de estrellas con esta festividad, y se asocia a las lágrimas del mismo, pues fue quemado vivo en una hoguera. Este año, 2015, el mejor momento para ver las Perseidas será la noche del 12 al 13 de agosto.

Aparición de la Virgen a San Lorenzo, Greco

Pero también existen los asteroides, que son cuerpos formador por roca o metal que, generalmente, se encuentran en el cinturón de asteroides, entre Júpiter y Marte, aunque al acercarse a un planeta pueden desviarse. El nombre en griego significa “figura de estrella”, pues, vistos con un telescopio, parecen estrellas.

Imagen superior: Asteroirde Vesta
Imagen inferior: trozos de este asteroide que cayeron a la Tierra, vistos a través de un microscopio polarizado

Recapitulemos. Hemos visto lo que es un cometa (grosso modo, cuerpo del Sistema Solar que orbita alrededor del Sol y que está formado por hielo y roca), un meteoroide (también grosso modo, los fragmentos en los que se desintegra un cometa), un meteoro (un fragmento desintegrándose en la atmósfera, también llamado “estrella fugaz”), un bólido (un meteoro especialmente brillante) y un asteroide (cuerpo rocoso o de metal que, generalmente, se encuentra en el Cinturón de Asteroides).

Y, aún así, no son las únicas cosas curiosas que pueden verse en el cielo. En el año 1054, una estrella masiva explotó en una supernova (cuyos restos forman la famosa nebulosa del Cangrejo) que podía verse a simple vista desde la Tierra, como se aprecia en la pintura realizada en un saliente de una región de cañones de Nuevo México.

Nebulosa del Cangrejo, restos de la supernova de 1054 representada en esta pintura Anasazi 

Con toda esta belleza sobre nosotros, no es de extrañar que Tales se cayera en aquel hoyo. 

New Horizons sobrevive y nos manda sus primeras imágenes

Y, tras todo el escándalo... silencio absoluto.

Sonrisas nerviosas, miradas dirigiéndose continuamente a los monitores de pantalla, paseos continuos... El equipo de la NASA aún no sabía si la New Horizons había sobrevivido. Con el fin de que recaudara la mayor cantidad posible de datos científicos, se habían interrumpido durante 22 horas las comunicaciones con la sonda. Sonda que, por cierto, se movía a unos 50.000 km/h; a esa velocidad hasta una partícula de polvo podía dañar irreversiblemente la nave. Los científicos pensaban que la probabilidad de colisión era muy baja, 1 entre 10.000, pero el riesgo existía y, además, la nave se movía a lo desconocido...

Las horas iban pasando hasta que, por fin, a las tres de la madrugada del miércoles (hora española), llegó el aviso de la New Horizons: había sobrevivido al flyby, había tomado datos y ahora iba hacia el cinturón de Kuiper, a estudiar alguno de esos cuerpos helados que como murallas defienden al sistema solar del espacio interestelar. 

El equipo celebrando la llegada de la señal de la New Horizons

Ahora sí que se armó una buena fiesta en la NASA.  "Tuve un buen día ayer" - dijo Alan Stern, investigador principal de la misión - "la sonda está ya a más de un millón de millas de distancia de Plutón, está bien y se comunica correctamente", afirmó. [Puedes ver el momentazo en este vídeo, especialmente a partir del minuto 1.]

Y las emociones fuertes estaban prometidas: ya por la noche (de nuevo, hora española), llegaron las primeras y sorprendentes imágenes de Plutón:

Esta imagen representa aproximadamente el 1% de la superficie de Plutón

Esta imagen mostraba unas montañas de agua helada de hasta 3.500 m de altura formadas, muy posiblemente, hace algo menos de 100 millones de años. Tampoco se apreciaban cráteres en la superficie, lo que significaba que debía haber actividad geológica (de igual manera, algunos cráteres en la Tierra apenas son perceptibles debido, por ejemplo, al viento, que arrastra arena y otros materiales que se van depositando en el mismo y rellenándolo) [si quieres aprender más sobre esto, te recomendamos una graciosa página de la NASA aquí]. 

El Lago Manicouagan, en Canadá, es todo lo que queda de un cráter por culpa de la erosión terrestre

"Esta es una de las superficies más jóvenes que hemos visto en el sistema solar" - subraya Jeff Moore, del equipo de Imágenes Geológicas y Geofísicas en el Centro de Investigación Ames de la NASA, California. El que Plutón siga geológicamente activo es realmente sorprendente, porque Plutón se formó hace unos 4.560 millones de años y ya debería haberse enfriado y estabilizado. Los científicos aseguran que Plutón no se puede calentar por interacciones gravitatorias con un cuerpo planetario mucho mayor, como ocurre con Ío, satélite de Júpiter, el cual tiene una intensa actividad de vulcanismo debida a las mareas que produce la interacción gravitatoria con Júpiter y otros satélites de gran tamaño, o como ocurre con Tritón, satélite de Neptuno. 

Ilustración de cómo sería estar en la superficie de la luna de Júpiter, Ío, con un importante vulcanismo

"Esto puede llevarnos a repensar qué es lo que activa la actividad geológica en muchos otros mundos helados" - comenta John Spencer, miembro también del equipo GGI, junto con Jeff Moore. 

Basándose en los datos que los científicos poseían sobre la densidad de Plutón, se veía posible la existencia de materiales radioactivos en su interior, pero se pensaba que serían insuficientes para calentar la superficie. Ahora la principal hipótesis es la de que es precisamente a esos elementos radioactivos a los que se les debe la actividad geológica de Plutón. 

A la famosa "zona del corazón" apreciada durante el acercamiento de la sonda, se le ha llamado "Región Tombaugh", en honor al astrónomo que, recordemos, descubrió Plutón en el año 1930 y cuyas cenizas viajan a bordo de la New Horizons.

Fotografía donde se muestra en primer plano al "corazón de Plutón"

Y las sorpresas no han parado aquí. La sonda también ha enviado una imagen de Caronte, la mayor luna de Plutón:

Una franja de acantilados y depresiones se extiende unos 1.000 km desde la izquierda a la derecha, una fractura extendida por la corteza de Caronte, posiblemente como resultado de procesos internos. Arriba a la derecha, a lo largo del borde curvo de la luna, hay un cañón que se estima que es entre 7 y 9 km de profundidad.

Los científicos de la misión están sorprendidos por la aparente ausencia de cráteres en Caronte. Al sur del ecuador de la luna, al fondo de esta imagen, el terreo está iluminado por los rayos del sol, creando sombras que hacen más fácil distinguir la topografía. Incluso aquí, sin embargo, se ven muy pocos cráteres, lo que indica una superficie relativamente joven que ha sido remodelada por la actividad geológica.

En la región del polo norte de Caronte, una prominente marca oscura en las imágenes del acercamiento de la New Horizons ahora parece mostrar una frontera difusa, lo que sugiere la presencia de un delgado depósito o mancha de sedimentos en su superficie. A esta zona los científicos han comenzado a llamarla "Mordor" [puedes curiosear más sobre los nombres de regiones, planetas y satélites en este enlace de El País].

También nos ha enviado la imagen de otro de sus satélites, Hydra, que tiene entre 33 y 43 kilómetros de diámetro y una forma irregular. Además, es muy posible que esté cubierta de hielo. La propia NASA asegura que imágenes con mucha más resolución están por llegar. Recordemos que los datos de máxima resolución no se terminarán de recibir hasta finales del año 2016.

Hydra, satélite de Plutón

En cualquier caso, hemos avanzado mucho en nuestra comprensión sobre Plutón y sus lunas en los últimos diez años, y no hay duda de que aún nos esperan muchos más descubrimientos. Sólo hay que comparar la calidad de las imágenes que teníamos antes:

O podemos verlo con la versión en GIF de la NASA:

Tal y como se ve en este magnífico vídeo de The New York Times (el único problema es que está en inglés), hay un mensaje muy claro: es el fin de una era, una era de exploración y que, como la propia NASA dice, "ha inspirado a una generación". Desde que comenzó la carrera espacial entre EEUU y la URSS en la década de los cincuenta, los seres humanos nos hemos lanzado al espacio, hemos comenzado a explorar nuestro Sistema Solar. Hemos enviado satélites, sondas e incluso robots a los planetas. El único que faltaba por ver era Plutón. El siguiente planeta más cercano está a más de 300 billones de kilómetros, algo que con nuestra tecnología actual no lograremos alcanzar. Plutón ha sido (y aún está siendo) el último planeta que exploraremos "por primera" vez en muchas generaciones, y la última vez que lo vivimos con uno de nuestros planetas hermanos, los del sistema solar. 

Por lo tanto, sal esta noche al cielo, mira a las estrellas, porque muchos de esos puntos, en especial los más brillantes, son en realidad planetas y, sobre todo, disfruta este momento, déjate maravillar por los resultados que nos van llegando, vívelo con pasión, porque no volverá a ocurrir. Hemos llegado a un punto de inflexión en nuestra exploración espacial. Es el momento de salir de nuestro dormitorio, el sistema solar, y explorar nuestro hogar completo. Es el momento de ir más allá de la orilla cósmica y adentrarnos en el océano.