Planeta gigante

Los cuatro objetos del planeta gigante:

• Júpiter y Saturno (gas gigantes)
• Urano y Neptuno (iglesios gigantes)

Mostrada en orden del Sol y en verdadero color. Las tallas no deben escalar.

Los cuatro planetas gigantes del Sistema Solar contra el Sol, a escala

Masas relativas de los planetas gigantes del Sistema Solar exterior

Los planetas gigantes constituyen un tipo diverso de planeta mucho más grande que la Tierra. Por lo general, se componen principalmente de materiales de bajo punto de ebullición (volátiles), en lugar de rocas u otra materia sólida, pero también pueden existir planetas sólidos masivos. Hay cuatro planetas gigantes conocidos en el Sistema Solar: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Se han identificado muchos planetas gigantes extrasolares orbitando otras estrellas.

A veces también se les llama planetas jovianos, en honor a Júpiter ("Jove" es otro nombre para el dios romano "Júpiter"). A veces también se les conoce como gigantes gaseosos. Sin embargo, muchos astrónomos ahora aplican este último término solo a Júpiter y Saturno, clasificando a Urano y Neptuno, que tienen composiciones diferentes, como gigantes de hielo. Ambos nombres son potencialmente engañosos: todos los planetas gigantes consisten principalmente en fluidos por encima de sus puntos críticos, donde no existen distintas fases gaseosas y líquidas. Los componentes principales son hidrógeno y helio en el caso de Júpiter y Saturno, y agua, amoníaco y metano en el caso de Urano y Neptuno.

Las diferencias definitorias entre una enana marrón de muy poca masa y un gigante gaseoso (~13 M_J) se debaten. Una escuela de pensamiento se basa en la formación; el otro, sobre la física del interior. Parte del debate se refiere a si las "enanas marrones" deben, por definición, haber experimentado la fusión nuclear en algún momento de su historia.

Terminología

El término gigante gaseoso fue acuñado en 1952 por el escritor de ciencia ficción James Blish y originalmente se usaba para referirse a todos los planetas gigantes. Podría decirse que es un nombre algo inapropiado, porque en la mayor parte del volumen de estos planetas la presión es tan alta que la materia no está en forma gaseosa. Aparte de las capas superiores de la atmósfera, es probable que toda la materia se encuentre más allá del punto crítico, donde no hay distinción entre líquidos y gases. Planeta fluido sería un término más preciso. Júpiter también tiene hidrógeno metálico cerca de su centro, pero gran parte de su volumen es hidrógeno, helio y trazas de otros gases por encima de sus puntos críticos. Las atmósferas observables de todos estos planetas (a menos de una unidad de profundidad óptica) son bastante delgadas en comparación con sus radios, y solo se extienden quizás un uno por ciento del camino hacia el centro. Así, las porciones observables son gaseosas (en contraste con Marte y la Tierra, que tienen atmósferas gaseosas a través de las cuales se puede ver la corteza).

El término bastante engañoso se ha popularizado porque los científicos planetarios suelen utilizar roca, gas y hielo como abreviaturas para clases de elementos y compuestos. comúnmente encontrados como constituyentes planetarios, independientemente de la fase de la materia. En el Sistema Solar exterior, el hidrógeno y el helio se conocen como gases; agua, metano y amoníaco como hielo; y silicatos y metales como roca. Cuando se consideran los interiores profundos de los planetas, puede no estar lejos de decir que, por hielo, los astrónomos se refieren al oxígeno y al carbono, por roca al silicio, y por gas significan hidrógeno y helio. Las muchas formas en que Urano y Neptuno difieren de Júpiter y Saturno han llevado a algunos a usar el término solo para los planetas similares a los dos últimos. Con esta terminología en mente, algunos astrónomos han comenzado a referirse a Urano y Neptuno como gigantes de hielo para indicar el predominio de los hielos (en forma fluida) en su composición interior.

El término alternativo planeta joviano se refiere al dios romano Júpiter, cuya forma genitiva es Jovis, por lo tanto, joviano, y tenía la intención para indicar que todos estos planetas eran similares a Júpiter.

Los objetos lo suficientemente grandes como para iniciar la fusión del deuterio (más de 13 masas de Júpiter para la composición solar) se denominan enanas marrones, y ocupan el rango de masas entre los grandes planetas gigantes y las estrellas de menor masa. El límite de 13 masas de Júpiter (M_J) es una regla empírica más que algo de significado físico preciso. Los objetos más grandes quemarán la mayor parte de su deuterio y los más pequeños quemarán solo un poco, y el valor de 13 MJ está en algún punto intermedio. La cantidad de deuterio quemado depende no solo de la masa sino también de la composición del planeta, especialmente de la cantidad de helio y deuterio presente. La Enciclopedia de planetas extrasolares incluye objetos de hasta 60 masas de Júpiter y el Exoplanet Data Explorer de hasta 24 masas de Júpiter.

Descripción

Estos cortes ilustran modelos interiores de los planetas gigantes. Júpiter se muestra con un núcleo rocoso superpuesto por una capa profunda de hidrógeno metálico.

Un planeta gigante es un planeta enorme y tiene una atmósfera espesa de hidrógeno y helio. Pueden tener un denso núcleo fundido de elementos rocosos, o el núcleo puede haberse disuelto y dispersado por todo el planeta si el planeta está lo suficientemente caliente. En "tradicional" En planetas gigantes como Júpiter y Saturno (los gigantes gaseosos), el hidrógeno y el helio constituyen la mayor parte de la masa del planeta, mientras que en Urano y Neptuno solo forman una envoltura exterior, que en cambio está compuesta principalmente de agua, amoníaco y metano y por lo tanto, se les conoce cada vez más como "gigantes de hielo".

Los planetas gigantes extrasolares que orbitan muy cerca de sus estrellas son los exoplanetas más fáciles de detectar. Estos se llaman Júpiter calientes y Neptunos calientes porque tienen temperaturas superficiales muy altas. Los Júpiter calientes eran, hasta la llegada de los telescopios espaciales, la forma más común de exoplaneta conocida, debido a la relativa facilidad para detectarlos con instrumentos terrestres.

Comúnmente se dice que los planetas gigantes carecen de superficies sólidas, pero es más exacto decir que carecen de superficies por completo, ya que los gases que los constituyen simplemente se vuelven más y más delgados a medida que aumenta la distancia de los planetas. centros, eventualmente volviéndose indistinguibles del medio interplanetario. Por lo tanto, aterrizar en un planeta gigante puede o no ser posible, dependiendo del tamaño y la composición de su núcleo.

Subtipos

Gigantes gaseosos

El vórtice polar norte de Saturno

Los gigantes gaseosos se componen principalmente de hidrógeno y helio. Los gigantes gaseosos del Sistema Solar, Júpiter y Saturno, tienen elementos más pesados que representan entre el 3 y el 13 por ciento de su masa. Se cree que los gigantes gaseosos consisten en una capa exterior de hidrógeno molecular, que rodea una capa de hidrógeno metálico líquido, con un probable núcleo fundido con una composición rocosa.

La porción más externa de la atmósfera de hidrógeno de Júpiter y Saturno tiene muchas capas de nubes visibles compuestas principalmente de agua y amoníaco. La capa de hidrógeno metálico constituye la mayor parte de cada planeta y se la conoce como "metálica" porque la presión muy alta convierte al hidrógeno en un conductor eléctrico. Se cree que el núcleo consiste en elementos más pesados a temperaturas tan altas (20.000 K) y presiones que sus propiedades son poco conocidas.

Gigantes de hielo

Los gigantes de hielo tienen composiciones interiores claramente diferentes a las de los gigantes gaseosos. Los gigantes de hielo del Sistema Solar, Urano y Neptuno, tienen una atmósfera rica en hidrógeno que se extiende desde la parte superior de las nubes hasta aproximadamente el 80 % (Urano) o el 85 % (Neptuno) de su radio. Por debajo de esto, son predominantemente "helados", es decir, consisten principalmente en agua, metano y amoníaco. También hay algo de roca y gas, pero varias proporciones de hielo-roca-gas podrían imitar el hielo puro, por lo que se desconocen las proporciones exactas.

Urano y Neptuno tienen capas atmosféricas muy nebulosas con pequeñas cantidades de metano, lo que les otorga colores aguamarina; azul claro y ultramar respectivamente. Ambos tienen campos magnéticos que están muy inclinados respecto a sus ejes de rotación.

A diferencia de los otros planetas gigantes, Urano tiene una inclinación extrema que hace que sus estaciones sean severamente pronunciadas. Los dos planetas también tienen otras sutiles pero importantes diferencias. Urano tiene más hidrógeno y helio que Neptuno a pesar de ser menos masivo en general. Por lo tanto, Neptuno es más denso y tiene mucho más calor interno y una atmósfera más activa. El modelo de Niza, de hecho, sugiere que Neptuno se formó más cerca del Sol que Urano y, por lo tanto, debería tener más elementos pesados.

Planetas sólidos masivos

También pueden existir planetas sólidos masivos.

Es posible que se formen planetas sólidos de hasta miles de masas terrestres alrededor de estrellas masivas (estrellas tipo B y tipo O; 5–120 masas solares), donde el disco protoplanetario contendría suficientes elementos pesados. Además, estas estrellas tienen una alta radiación ultravioleta y vientos que podrían fotoevaporar el gas en el disco, dejando solo los elementos pesados. A modo de comparación, la masa de Neptuno es igual a 17 masas terrestres, Júpiter tiene 318 masas terrestres y el límite de 13 masas de Júpiter utilizado en la definición de trabajo de exoplaneta de la IAU es igual a aproximadamente 4000 masas terrestres.

Super-Puffs

Un super-puff es un tipo de exoplaneta con una masa solo unas pocas veces mayor que La Tierra tiene un radio más grande que Neptuno, lo que le da una densidad media muy baja. Son más fríos y menos masivos que los Júpiter calientes inflados de baja densidad.

Los ejemplos más extremos que se conocen son los tres planetas alrededor de Kepler-51, todos del tamaño de Júpiter pero con densidades inferiores a 0,1 g/cm³.

Planetas gigantes extrasolares

La concepción de un artista de 79 Ceti b, el primer planeta gigante extrasolar encontrado con una masa mínima menos que Saturno.

Comparación de tamaños de planetas de una masa determinada con diferentes composiciones

Debido a las técnicas limitadas actualmente disponibles para detectar exoplanetas, muchos de los encontrados hasta la fecha han sido de un tamaño asociado, en el Sistema Solar, con planetas gigantes. Debido a que se infiere que estos grandes planetas tienen más en común con Júpiter que con los otros planetas gigantes, algunos han afirmado que el "planeta joviano" es un término más exacto para ellos. Muchos de los exoplanetas están mucho más cerca de sus estrellas madre y, por lo tanto, mucho más calientes que los planetas gigantes del Sistema Solar, lo que hace posible que algunos de esos planetas sean de un tipo que no se observa en el Sistema Solar. Considerando las abundancias relativas de los elementos en el universo (aproximadamente 98% de hidrógeno y helio) sería sorprendente encontrar un planeta predominantemente rocoso más masivo que Júpiter. Por otro lado, los modelos de formación de sistemas planetarios han sugerido que se inhibiría la formación de planetas gigantes tan cerca de sus estrellas como se ha observado que orbitan muchos de los planetas gigantes extrasolares.

Atmósferas

Las bandas que se ven en la atmósfera de Júpiter se deben a flujos de material en contracirculación llamados zonas y cinturones, que rodean el planeta en forma paralela a su ecuador. Las zonas son las bandas más claras y se encuentran en altitudes más altas en la atmósfera. Tienen una corriente ascendente interna y son regiones de alta presión. Los cinturones son las bandas más oscuras, están más abajo en la atmósfera y tienen una corriente descendente interna. Son regiones de baja presión. Estas estructuras son algo análogas a las celdas de alta y baja presión en la atmósfera de la Tierra, pero tienen una estructura muy diferente: bandas latitudinales que rodean todo el planeta, a diferencia de las pequeñas celdas de presión confinadas. Esto parece ser el resultado de la rápida rotación y la simetría subyacente del planeta. No hay océanos ni masas de tierra que causen calentamiento local y la velocidad de rotación es mucho mayor que la de la Tierra.

También hay estructuras más pequeñas: manchas de diferentes tamaños y colores. En Júpiter, la más notable de estas características es la Gran Mancha Roja, que ha estado presente durante al menos 300 años. Estas estructuras son enormes tormentas. Algunos de estos lugares también son nubarrones.