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Satélites de los
Planetas Exteriores
Seminario de Grado: Astrobiología
Zanardi Macarena
A partir del 24 de Agosto del 2006 la IAU resuelve que nuestro
Sistema Solar está compuesto por tres categorías:
Planetas:
i) Orbitan alrededor del Sol
ii) Tienen forma aproximadamente esférica
iii) Han barrido la vecindad de su órbita
Planetas Enanos:
i) Orbitan alrededor de Sol
ii) Tienen forma aproximadamente esférica
iii) No han barrido la vecindad de su órbita
iv) No es un satélite
Cuerpos Menores:
Son todos los demás objetos ,excepto los satélites, que orbitan
alrededor del Sol .. (asteroides,cometas,...)
Satélites
Introducción
• La geoquímica de los satélites naturales del Sistema
Solar exterior nos da información acerca de la formación
de los planetas alrededor de los cuales ellos orbitan
• Por otra parte, la geoquímica nos brinda información de
la formación y naturaleza de los satélites en sí mismos,
por ejemplo, a través de sus espectros, colores y
albedos
Introducción
• Los satélites son estables en la región llamada esfera de
Hill, en donde el movimiento del objeto está dominado
por el planeta más que el por Sol.
• Los satélites se dividen en dos clases según sus
características orbitales y su origen. Ellas son:
Regulares
Irregulares
Introducción
• Satélites Regulares:
• Satélites Irregulares:
- Están más cerca del planeta
-
(cortos períodos)
- Tienen órbitas casi circulares
Están más lejos del planeta
(períodos de 1 a 10 años)
-
Tienen órbitas excéntricas
-
Pueden orbitar en sentido
directo o retrógrado
-
Tienen altas inclinaciones
- Orbitan en sentido directo
(igual que el planeta)
- Tienen bajas inclinaciones, es
decir, están cerca del ecuador
del planeta
- Se formaron alrededor de sus
respectivos planetas en la
acreción circumplanetaria
- No se formaron alrededor de
sus respectivos planetas, se
cree que han sido
capturados de su órbita
heliocéntrica
Satélites Regulares
- Satélites Galileanos de Júpiter -
Regulares
Propiedades Físicas
La mayor información acerca de la superficie de los
satélites se obtiene a través de:
•Análisis espectral de la luz del sol reflejada en
su superficies
•Albedo (es la fracción de luz reflejada respecto
de incidente)
Regulares
Propiedades Físicas
Los telescopios en base en tierra y los observatorios
espaciales nos dan información acerca de la composición
de la superficie.
La misión Galileo (lanzada en 1989, llego a Júpiter en
1995) estudió las superficies de los satélites Galileanos,
mientras que la misión Cassini (lanzada en 1997, llegó a
Saturno en 2004) estudió las superficies de los satélites de
Saturno
La mayoría presentan un fuerte espectro de absorción
debido al hielo de agua. Es la principal componente de la
mayoría de los satélites. Sin embargo, los datos también
nos indican que sus superficies son mezcla de hielo con
silicatos.
Satélites Galileanos
Regulares
Satélites Galileanos
• Fueron descubiertos por Galileo en 1610
• Son los más fáciles de observar porque son los más
próximos a la Tierra y por su gran tamaño (dos de ellos,
Calisto y Ganimede tienen tamaños comparables a
Mercurio, los otros dos, Io y Europa, son comparables a
la Luna)
• Este sistema de satélites presenta un cambio distintivo
en la composición en función de la distancia a Júpiter.
Mientras el contenido de hielo se incrementa desde
adentro hacia afuera, la densidad, reflectividad y signos
de actividad geológica muestran un decrecimiento
importante
Io
IO
Regulares
• Io es el satélite más cercano a Júpiter
• Es el único compuesto principalmente por material
rocoso, no presenta evidencia de grandes cantidades de
hielo de agua (es el más denso de los galileanos, con
~3.5 gr/cm3)
• Datos gravitacionales y modelos sugieren que Io es
diferencido, con un núcleo de hierro o sulfato de hierro y
con una corteza y manto de silicio.
• Es el más activo en el sistema solar, presentando una
gran cantidad de actividad volcánica
• No presenta una superficie craterizada ya que ésta ha
sido borrada por grandes erupciones las cuales
alcanzan alturas de 300 km y pueden durar por varios
años
Europa
Regulares
• Europa está formado principalmente de roca, aunque es
considerado uno de los satélites helados de Júpiter
debido a que sus capas más exteriores presentan hielo
de agua. Su densidad es levemente inferior a la de Io
con un valor de ~ 3 gr/cm3
• Datos gravitacionales sugieren que Europa es
diferenciado, con un núcleo y un manto rodeados por
una corteza rica en agua aproximadamente de 75 a 150
km
• Diferentes partes de su superficie presentan gran
similitud con los mares polares de la Tierra, llevando a la
especulación de que un océano se ubica por debajo de
la corteza de hielo.
• Presenta muy pocos cráteres de impacto sobre su
superficie lo cual indica que algún proceso ocurrió de
manera que borró las evidencias colisionales (esta
superficie es geológicamente jóven de ~200 Myr).
Otra característica de la superficie es la presencia de grietas
las cuales tienen algunos kilómetros de ancho y hasta mil
kilómetros de extensión. El material enrojecido que se
observa en estas grietas sugiere que las mismas sean
depósitos del material eyectado en erupciones pasadas (no
hay datos que muestren una actividad geológica reciente)
Ganimede
Regulares
• Ganimede es el satélite más grande del sistema solar
(~2600km de radio)
• Los modelos sugieren que este satélite se ha
diferenciado completamente en un manto rico en hierro
y roca y un núcleo con una capa gruesa de hielo que lo
rodea.
• La superficie es geológicamente compleja ya que en ella
coexisten dos tipos de terrenos bien diferentes : Un
terreno viejo, obscuro y altamente craterizado que ha
logrado sobrevivir entre otro más jóven y brillante
• Los cráteres más viejos se muestran achatados debido
al calentamiento de la corteza primitiva del satélite, por
otro lado, los cráteres más jóvenes son tanto claros
como obscuros indicando variaciones geológicas en la
capa subsuperficial.
• Ganimede parece haber cesado su actividad geológica.
El gran número de impactos evidencia fuertemente ésto
Calisto
Regulares
• Calisto es el último de los satélites galileanos
• No hay evidencia convincente que asegure que sea
diferenciado
• Es el objeto del sistema solar mayormente craterizado,
lo cual indica sus miles de millones de años sin actividad
geológica
• Una característica importante sobre la superficie es la
presencia de anillos concéntricos que tienen su origen
en los diferentes sitios de impactos, que se han formado
cuando la corteza fue fracturada productos de la
colisión. Estos anillos tienen una extensión de hasta
2000 km
• Las regiones centrales de los cráteres son brillantes,
quizás producto del hielo excavado por los impactos
Satélites Regulares de Saturno
Regulares
Satélites Regulares de Saturno
• Hasta la fecha, Saturno presenta 24 satélites regulares,
siendo Enceladus, Tethys, Dione, Rhea, Titán y Iapetus los
más reconocidos.
• La mayoría de estos satélites está constituído
principalmente por hielo de agua y alguna componente
menor de material rocoso. Con la excepción de Enceladus,
cuya superficie parece ser de hielo puro, las superficies de
esta lunas están hechas de hielo “sucio” con un incremento
en la cantidad de material rocoso hacia sus centros.
• Enceladus, Tethys y Dione muestran densidades de
cráteres de impacto ampliamente variadas, lo cual indica
que todos ellos han sido afectados significativamente por la
actividad geológica.
Enceladus
Regulares
• Enceladus tiene una densidad levemente superior a la
del agua, siendo el menos denso de los satélites de
Saturno, y por ende el que posee menos cantidad de
material rocoso.
• Su terreno muestra fuertes evidencias de una actividad
geológica significativa: por ejemplo, su superficie
débilmente craterizada sugiere que este satélite podría
estar aun activo. Datos de la Cassini parecen confirmar
esta actividad.
• Existen regiones en donde hay moderadas y altas
densidades de cráteres, lo que indica que las mismas
han sido protegidas de la actividad geológica
• Al igual que Io y Europa, este satélite sufre fuertes
interacciones de mareas generadas por Saturno y los
otros satélites cercanos
Tethys
Rhea
Dione
Iapetus
Regulares
• Iapetus, fuertemente craterizado en uno de sus hemisferios,
está curiosamente cubierto por un material muy obscuro,
cuya naturaleza y origen es aun incierto.
• Espectralmente, el material obscuro se asemeja a algunos
asteroides rojos de bajo albedo. Además, se cree que el
mismo es similar a materiales ricos en moléculas de
hidrocarbono producidos en experimentos de laboratorio,
conocidos como tholins, los cuales son opacos y
espectralmente rojos.
• Las imágenes tomadas por la Voyager no tienen suficiente
resolución para determinar una relación geológica entre el
material obscuro y las regiones de hielo. Las propuestas que
intentan explicar el origen de este material son:
I- El mismo tiene origen en Phoebe (Satélite Irregular) y es
barrido por Iapetus a lo largo de su órbita
II- El material es generado por Iapetus desde su interior.
III- El material tiene su origen en Iapetus pero se modifica
por procesos de impacto.
Titán
Regulares
• Titán es el satélite regular más grande de Saturno, y el
segundo de mayor tamaño de todo el Sistema Solar.
. . . El resto se lo dejamos a Santi . . .
Satélites Regulares de Urano
Regulares
Satélites Regulares de Urano
• Hasta la fecha, Urano presenta 15 satélites regulares,
siendo Miranda, Ariel, Umbriel, Titania y Oberón los más
reconocidos.
• Estos objetos son de hielo, pero son mucho más obscuros y
más densos que los satélites de Saturno, puede que sea por
tener superficies más sucias e interiores más rocosos.
• Probablemente se trata de objetos diferenciados con una
corteza de hielo y manto y núcleos rocosos.
• Además de hielo de agua presenta amoniaco, metanos y
otros componentes químicos.
• Todos los grandes satélites parecen ser geológicamente
inactivos, pero aún muestran signos de actividad pasada.
Satélites regulares de Neptuno
Regulares
Satélites Regulares de Neptuno
• Hasta la fecha, Neptuno tiene 6 satélites regulares conocidos
• El satélites más reconocido es Tritón, del cual hablaremos
más tarde, ya que es de naturaleza irregular.
Satélites Irregulares
- Phoebe, Satélite Irregular de Saturno -
Irregulares
Descubrimiento
Irregulares
Descubrimiento
1- Visual
2- Placas Fotográficas
3- Misiones Espaciales (Voyager)
4- CCD (Charge-Coupled Device)
Irregulares
Descubrimiento
• Los primeros satélites irregulares descubiertos
visualmente fueron Hiperion (de Saturno) y Triton (de
Neptuno) entre 1846-1851
• A fines del siglo XIX con la aparición de las placas
fotográficas nuevos objetos fueron descubiertos. El
primero fue Phoebe (de Saturno) en 1898 por Pickering
(mv=16.5), y 16 años más tarde Himalia, el más grande
de los satélites irregulares de Júpiter (mv=14.6)
• A mediados del 1990 con el uso de las cámaras de CCD
se incrementó el número de satélites descubiertos (ya que
este dispositivo es más sensible)
Irregulares
Número de Satélites Regulares e Irregulares descubiertos
desde el siglo XIX
Irregulares
Satélites Irregulares de los Planetas
Irregulares
Propiedades Físicas
Irregulares
Propiedades Físicas
1- Albedos
2- Colores
3- Distribución de Tamaños
Irregulares
Propiedades Físicas
Albedos
- Los satélites irregulares más grandes de Júpiter tienen albedos muy
bajos, de 0.04 a 0.05, los cuales son consistentes con asteroides tipo C,
P y D del Cinturón Principal exterior y muy similares a los Troyanos
jovianos. Recordemos que los asteroides tipo C se componen de
carbono, mientras que los tipo D y P están constituidos por silicatos,
material orgánico (carbono) y posiblemente hielo de agua en sus
interiores. Datos de la Misión Cassini han derivado un albedo de ~ 0.05
para Himalia.
-Por otra parte, Phoebe, satélite irregular de Saturno, presenta un albedo
promedio de 0.08, mientras que Nereida, satélite irregular de Neptuno,
tiene un albedo de 0.16, de acuerdo a los datos obtenidos por la Misión
Voyager. Los valores del albedo asociados a Phoebe y Nereida
presentan una mayor similitud a aquellos medidos sobre los más
grandes objetos del Cinturón de Kuiper.
Irregulares
Propiedades Físicas
Colores
- Los colores de los satélites irregulares van desde neutros a moderadamente
rojos. En efecto, la mayoría de los mismos no presenta los colores
extremadamente rojos encontrados en los objetos del Cinturón de Kuiper.
- Los satélites irregulares de Júpiter presentan colores muy similares a aquellos
de los asteroides tipo C, P y D del Cinturón Principal exterior así como también a
los Troyanos y Núcleos Cometarios.
- Los satélites irregulares de Saturno son, en promedio, más rojos que aquellos
de Júpiter, pero mucho menos que los objetos del Cinturón de Kuiper.
- Los satélites irregulares de Urano muestran un amplio rango de colores,
especialmente en V-R.
- Hasta la fecha existe una evidencia observacional muy limitada para los
satélites irregulares de Neptuno. Sin embargo, de acuerdo a lo observado,
ninguno de los hasta hoy conocidos muestra los colores extremadamente rojos
de los objetos del Cinturón de Kuiper.
Irregulares
Distribución de Colores de los Satélites Irregulares de Júpiter, Saturno, Urano y
Neptuno comparada con aquellos de los Troyanos de Júpiter y Neptuno, Objetos
del Cinturón de Kuiper, Centauros y Núcleos de Cometas
Irregulares
Propiedades Físicas
Distribución de Tamaños
- Las distribuciones de tamaños de los satélites irregulares de cada uno
de los planetas gigantes parecen ser muy similares.
Irregulares
Distribución de Tamaños Acumulada de los Satélites Irregulares de
Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno con Radios mayores a 1 km.
Irregulares
Propiedades Físicas
Distribución de Tamaños
- Para modelar las distribuciones de tamaños, generalmente se usa una
ley de potencias de la forma
n(r)dr = Cr-qdr
donde C y q son constantes, r es el radio del satélite, y n(r)dr es el
número de satélites con radios en el rango r y r+dr.
- Para radios entre 10 y 100 km, los satélites irregulares de los cuatro
planetas gigantes parecen seguir distribuciones de tamaños similares,
con un valor del exponente q = 2.
- Debido a su cercanía a la Tierra, Júpiter y Saturno son los únicos que
presentan satélites irregulares conocidos menores a 5km. Estos
pequeños satélites parecen seguir una ley de potencia más empinada de
pendiente q > 3.5 la cual es un signo evidente de evolución colisional.
Irregulares
Dinámica
Irregulares
Dinámica
Hay tres mecanismos propuestos para la captura de satélites
irregulares ...
•
1) Captura por Gas Drag (arrastre gaseoso)
•
2) Captura Pull-Down
•
3) Captura a través de colisiones o sin colisiones (por
encuentros)
Irregulares
Dinámica
1) Captura por Fuerzas de Drag (arrastre gaseoso)
Este tipo de mecanismo propone que la captura se da en una
etapa temprana de la formación de los planetas gigantes, en
donde todavía está presente la nebulosa circumplanetaria.
Entonces, un objeto que pasa a través de la nebulosa puede
sentir una fuerza de drag debido al gas.
- Si el objeto es grande (de ~ unos pocos cientos de km) no se
verá afectado y atravezará la nebulosa.
- Si el objeto es muy pequeño (menor a algunos pocos km),
será fuertemente afectado y caerá hacia el planeta
rápidamente.
- Objetos de tamaños intermedios (desde unos pocos hasta
cientos de km) son los que podrán ser capturados.
Irregulares
Dinámica
2) Captura por Pull-Down
Este mecanismo se basa fundamentalmente en un incremento de la
masa del planeta o en un decrecimiento de la masa del Sol mientras
el objeto está siendo temporariamente capturado. Estas condiciones
generarían un aumento en las proporciones de la esfera de Hill del
planeta, haciendo imposible que el cuerpo pudiese escapar
dependiendo del valor de su energía. Para que el mecanismo sea
efectivo, el incremento en la esfera de Hill del planeta tendría que
ocurrir sobre escalas de tiempo cortas. En efecto, es necesario que
los cambios en la masa del Sol o del planeta sean superiores al 40 %
sobre unos pocos miles de años.
NOTA: Por otra parte, dado que la esfera de Hill depende también del
semieje, la misma podría incrementarse ante una migración hacia afuera del
planeta. Sin embargo, grandes migraciones planetarias sobre escalas de
miles de años llevarían a la disrupción de cualquier sistema de satélites.
Irregulares
Dinámica
3) Captura a través de encuentros
Este mecanismo se debe a la interacción de dos pequeños cuerpos dentro
de la esfera de Hill del planeta.
Podría ocurrir entre asteroide-asteroide o encuentros entre asteroidesatélite. Los encuentros pueden disipar la energía de uno o de ambos
objetos para una captura permanente.
Este mecanismo sería más eficiente durante el sistema solar primitivo
debido a que hay más cuerpos pequeños pasando cerca del planeta.
Una ventaja de este mecanismo es que es independiente del escenario
de formación del planeta y de la masa de los objetos que participan
del encuentro y depende del tamaño de la esfera de Hill y de la
cantidad de cuerpos pasantes.
Casos especiales
1- Tritón
2- Nereida
3- Phoebe
- Tritón, satélite irregular de Neptuno -
Irregulares
Casos especiales
• Tritón es el satélite más grande de Neptuno, con ~ 2700
•
•
•
•
km de diámetro.
Tiene una densidad de 2 g/cm3, siendo uno de los más
densos (Io y Europa son los únicos que tienen densidades
mayores). Debido a esta alta densidad se cree que está
compuesto principalmente por material rocoso.
Datos de la Voyager y estudios químicos sugieren que su
superficie está compuesta por nitrógeno congelado.
Tiene todas las características de un satélite regular, salvo
que es retrógrado. La mejor explicación para esto es que
se trata de un objeto capturado.
Hay varias teorías sobre la captura de Tritón. La más
reciente sugiere que, previo a la captura, Tritón pudo ser
miembro de un sistema binario, el cual se dividió debido a
un encuentro con Neptuno, llevando a la captura de Tritón
y al escape de su compañero.
- Nereida, satélite irregular de Neptuno
-
Irregulares
Casos especiales
• Nereida es el satélite más exterior de Neptuno
• Tiene todas las características de ser regular, salvo por
su alta excentricidad (~ 0.75), autores sugieren que
puede ser un satélite regular perturbado, tal vez desde
la captura de Tritón.
- Phoebe, satélite irregular de Saturno -
Irregulares
Casos especiales
• Phoebe es el satélite irregular más grande de Saturno,
con un diámetro de ~210 km.
• Fue muy estudiado por la nave espacial Cassini (en el 2004)
la cual obtuvo imágenes de alta resolución. Estas
imágenes muestran que la superficie es intensamente
craterizada y esta compuesta por material rico en
volátiles.
• Tiene una densidad media ~1.6gr/cm3, la cual indica una
composición de mezcla de hielo de agua y silicatos.
• Muchos compuestos de Phoebe parecen indicar que se
formó más allá del cinturon principal de asteroides y con
una composición similar a la de los cometas. Sin
embargo, su densidad es mayor a la observada en los
cometas y a la inferida para los objetos del cinturón de
Kuiper. Esto hace pensar que Phoebe se formó cerca de
su ubicación actual.
Irregulares
Conclusiones
• Los satélites irregulares de los planetas gigantes son un
grupo particular de cuerpos, no necesariamente
vinculados con los reservorios del cinturón principal de
asteroides y el cinturón de Kuiper.
• Son capturados por sus respectivos planetas en la etapa
final de formación.
• Después de los ´90 con el uso de cámaras digitales
CCD se mejoró notablemente el descubrimiento y
caracterización de los satélites irregulares.
• Estudios observacionales demuestran que tanto para los
planetas gigantes gaseosos (Júpiter y Saturno) como para
los gigantes helados (Urano y Neptuno) los sistemas de
satélites irregulares son similares en tamaños,
poblaciones y dinámica.
Irregulares
Conclusiones
• Observaciones actuales favorecen el mecanismo de
captura por encuentros dentro de la esfera de Hill del
planeta (por ejemplo: se observan satélites irregulares
grandes, de manera que el mecanismo de captura debe
ser independiente de la masa)
• No hay detección de elementos volátiles en los satélites
irregulares de Jupiter, mientras que si los hay en los
irregulares de Saturno y Neptuno, esto es un buen
augurio de que esos objetos se han formado cerca de su
ubicación actual (se formaron más allá de la línea del
hielo)
Irregulares
Conclusiones
• En la actualidad, datos limitados para albedos, colores y
densidades muestran que los satélites irregulares de cada
planeta gigante son físicamente distintos, es decir ...
• Los irregulares de Júpiter son similares a los Troyanos de
Júpiter y núcleos de cometas.
• Los irregulares de Saturno muestran un material más rojo
que los de Júpiter. Sin embargo ni los de Saturno ni los de
Júpiter son extremadamente rojos como los objetos del
cinturón de Kuiper.
• Los irregulares de Urano tienen un amplio rango de
colores desde el más azul hasta el más rojo