La órbita de Plutón se muestra sorprendentemente inestable

La excéntrica e inclinada órbita de Plutón es relativamente estable en escalas de tiempo largas, pero está sujeta a perturbaciones y cambios caóticos en escalas de tiempo cortas.

Es el resultado de simulaciones numéricas de la órbita de Plutón hasta cinco mil millones de años en el futuro del Sistema Solar, una investigación publicada en PNAS y dirigida por el doctor Renu Malhotra, profesor de investigación científica en el Laboratorio Lunar y Planetario (LPL) de la Universidad de Arizona.

La órbita de Plutón es radicalmente diferente a la de los planetas, que siguen órbitas casi circulares alrededor del Sol cerca de su ecuador, proyectado hacia afuera (también conocido como la eclíptica). En contraste, Plutón tarda 248 años en completar una sola órbita alrededor del Sol y sigue una órbita altamente elíptica que está inclinada 17 gradps con respecto al plano de la eclíptica del Sistema Solar. La naturaleza excéntrica de su órbita también significa que Plutón pasa 20 años durante cada período orbitando más cerca del Sol que Neptuno.

La naturaleza de la órbita de Plutón es un misterio perdurable y algo de lo que los astrónomos se dieron cuenta poco después de su descubrimiento. Desde entonces, se han realizado múltiples esfuerzos para simular el pasado y el futuro de su órbita, lo que reveló una sorprendente propiedad que protege a Plutón de colisionar con Neptuno. Como explicó Malhotra a Universe Today, esta es la condición de resonancia orbital conocida como “resonancia de movimiento medio”:

“Esta condición asegura que en el momento en que Plutón está a la misma distancia heliocéntrica que Neptuno, su longitud está a casi 90 grados de la de Neptuno. Más tarde se descubrió otra propiedad peculiar de la órbita de Plutón: Plutón llega al perihelio en un lugar muy por encima del plano de la órbita de Neptuno; este es un tipo diferente de resonancia orbital conocida como ‘oscilación vZLK'”.

Esta abreviatura se refiere a von Zeipel, Lidov y Kozai, quienes estudiaron este fenómeno como parte del “problema de los tres cuerpos”. Este problema consiste en tomar las posiciones y velocidades iniciales de tres objetos masivos (desde que se extendió para incluir partículas) y resolver su movimiento posterior de acuerdo con las Tres Leyes del Movimiento de Newton y su Teoría de la Gravitación Universal, para las cuales no existe una solución general.

“A fines de la década de 1980, con la disponibilidad de computadoras más poderosas, las simulaciones numéricas revelaron una tercera propiedad peculiar, que la órbita de Plutón es técnicamente caótica, es decir, pequeñas desviaciones de las condiciones iniciales conducen a una divergencia exponencial de las soluciones orbitales en decenas de millones. de años. Sin embargo, este caos es limitado. Se ha encontrado en simulaciones numéricas que las dos propiedades especiales de la órbita de Plutón mencionadas anteriormente persisten en escalas de tiempo de gigaaños, lo que hace que su órbita sea notablemente estable, a pesar de los indicadores de caos”, explicó Malhotra.

En la hipótesis del nuevo estudio, Plutón fue arrastrado a su resonancia de movimiento medio actual por Neptuno, que emigró durante la historia temprana del Sistema Solar. Una predicción importante de esta teoría es que otros Objetos Transneptunianos (TNO) compartirían la misma condición de resonancia, lo que desde entonces se ha verificado con el descubrimiento de un gran número de Plutinos. Este descubrimiento también ha llevado a una aceptación más generalizada de la teoría de la migración planetaria.

Pero como explicó el Dr. Malhotra, “la inclinación orbital de Plutón está estrechamente relacionada con su oscilación vZLK. Así que razonamos que si pudiéramos comprender mejor las condiciones de la oscilación vZLK de Plutón, tal vez podríamos resolver el misterio de su inclinación. Comenzamos investigando el papel individual de los otros planetas gigantes (Júpiter, Saturno y Urano) en la órbita de Plutón”.

Para hacer esto, Malhotra y su equipo realizaron simulaciones por computadora en las que simularon la evolución orbital de Plutón durante hasta 5 mil millones de años que incluían ocho combinaciones diferentes de perturbaciones de planetas gigantes del Sistema Solar.

“No encontramos ningún subconjunto de los tres planetas gigantes internos que sirva para recuperar la oscilación vZLK de Plutón; los tres, Júpiter, Saturno y Urano, eran necesarios”, dijo el Dr. Malhotra. “Pero, ¿qué tienen estos planetas que [son] esenciales para la oscilación vZLK de Plutón?” agregó Malhotra. “Se necesitan 21 parámetros para representar las fuerzas gravitatorias de Júpiter, Saturno y Urano en Plutón. Este es un espacio de parámetros prohibitivamente grande para explorar”.

Para simplificar estos cálculos, los científicos fusionaron en un solo parámetro introduciendo algunas simplificaciones. Esto incluía representar cada planeta con un anillo circular de densidad uniforme, una masa total igual a la del planeta y un radio de anillo igual a la distancia promedio del planeta al Sol (también conocido como semieje mayor). Como indicó Malhotra, esto arrojó un solo parámetro que representaba el efecto de Júpiter, Saturno y Urano, que era equivalente al efecto de un “Sol achatado”.

“Descubrimos una disposición fortuita de las masas y órbitas de los planetas gigantes que delinea un rango estrecho en el parámetro J2 en el que es posible la oscilación vZLK de Plutón, una especie de ‘zona de Ricitos de Oro'”, dijo. “Este resultado indica que, durante la era de la migración de planetas en la historia del Sistema Solar, las condiciones para los objetos transneptunianos cambiaron de tal manera que muchos de ellos, incluido Plutón, entraron en el estado de oscilación vZLK. Es probable que la inclinación de Plutón se haya originado durante esta evolución dinámica”.

Es probable que estos resultados tengan implicaciones significativas para futuros estudios del Sistema Solar exterior y su dinámica orbital. Con más estudios, Malhotra cree que los astrónomos aprenderán más sobre la historia de la migración de los planetas gigantes y cómo finalmente se establecieron en sus órbitas actuales. También podría conducir al descubrimiento de un mecanismo dinámico novedoso que explicará los orígenes de la órbita de Plutón y otros cuerpos con altas inclinaciones orbitales.

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