El viento solar toma el manto de Mercurio

¿Podría ser el Sol el culpable del gran núcleo de Mercurio? 
Crédito: NASA / TU Wien
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Mercurio es un poco extraño en comparación con los otros planetas terrestres. Debido a su proximidad al Sol, Mercurio no tiene atmósfera, sólo una » exosfera unida a la superficie » de partículas de gas en trayectorias balísticas. Debajo de la superficie, Mercurio tiene un núcleo de hierro que se extiende a más del 80% de su radio, en comparación con solo el 50% de la Tierra.

Se han propuesto muchas teorías para explicar cómo Mercurio terminó como el planeta con el núcleo más grande en comparación con su tamaño. Una idea es que Mercurio se formó con un manto de silicato que fue destruido por impactos de asteroides. Otros plantean que, a medida que los planetas se formaron a partir del disco protoplanetario del Sol, las altas temperaturas separaron los silicatos y el hierro. Eso significa que Mercurio se formó en una región del disco desprovista de silicatos para empezar. Una tercera teoría establece que las altas temperaturas tomaron el control después de la formación de Mercurio, vaporizando su manto pero no el núcleo de hierro. El hecho de que muchos exoplanetas cercanos se han encontrado durante la última década con mantos rocosos, arroja considerables dudas sobre esta última teoría.

Los autores del artículo de hoy probaron, de hecho, que la explicación es un corolario de la primera teoría. Específicamente, plantean la hipótesis de que cuando los asteroides impactaron, pusieron en órbita trozos del manto de Mercurio. Entonces el poderoso viento solar eliminó los escombros antes de que pudieran volver a unirse a la superficie.

Cada día es un día ventoso en el espacio

En 1957, Eugene Parker trató de resolver las ecuaciones de fluidos para comprender cómo funciona la atmósfera del Sol. Se dio cuenta entonces de que sucedió algo divertido. A distancias muy lejanas, encontró una discontinuidad: la presión era mucho más baja de lo que era posible de manera realista. Su solución fue tan revolucionaria que tomó tres intentos para ser publicada: la corona solar no es estática sino que se expande constantemente en el espacio. El viento solar de Parker está compuesto por protones supersónicos que viajan a 400 km / s, y domina el entorno interplanetario hasta la heliopausa. El otro gran descubrimiento de Parker fue el campo magnético solar en espiral .

Se cree que el Sol joven (en su infancia) tenía un viento solar unas 100 veces más fuerte que hoy. Ello es lo que hace posible el trabajo en el artículo de hoy.

El impacto gigante de los impactos gigantes

La historia temprana de Mercurio probablemente estuvo dominada por impactos gigantes (similares a los que podrían haber formado la Luna). Éstos lanzaron grandes cantidades del manto de silicato del planeta al espacio. Los escombros del tamaño de un guijarro, dejados en órbita, reacretarían gradualmente en la superficie de Mercurio en unos diez millones de años.

Pero el fuerte viento solar del Sol joven puede empujar los escombros lo suficiente para modificar las órbitas de las partículas. Esto lo hace ya sea acelerando los escombros hacia el Sistema Solar Exterior o arrastrándolos hacia el Sol. La figura 1 muestra un esquema de este sistema.

Figura 1: Diagrama del material expulsado orbitando Mercurio. El viento solar en este caso ejerce un arrastre, reduciendo el semieje mayor orbital y haciendo que la partícula caiga hacia el Sol. En otros casos, el viento solar puede acelerar la partícula, haciendo que salga hacia el Sistema Solar Exterior. 
Crédito: Spalding y Adams 2020
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Métodos duales para estudiar el Mercurio temprano

Para probar si el viento solar podría ser responsable de facilitar la pérdida del manto de Mercurio, los autores primero buscaron una solución analítica. Resolvieron directamente las ecuaciones de movimiento. A pesar de las simplificaciones necesarias, creían que los resultados serían conceptualmente reveladores. Luego siguieron con una simulación numérica detallada, basándose en la informática de alto rendimiento.

En la solución analítica, los autores buscaron la cantidad de aceleración que el viento solar puede impartir en escombros del tamaño de un centímetro orbitando Mercurio. Cerca del Sol, el campo magnético solar bloquea el viento solar en la rotación del cuerpo sólido del Sol. El resultado es que el viento tiene una velocidad azimutal (circulando alrededor del ecuador) además de su velocidad radial hacia afuera. La velocidad azimutal fue confirmada recientemente por la Parker Solar Probe .

Aunque la velocidad azimutal disminuye con la distancia, en la ubicación de Mercurio, es suficiente para impactar los escombros en órbita con una fuerza, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Velocidades radiales (arriba) y azimutales (abajo) del viento solar en función del radio del Sol a las edades de 3, 10 y 30 millones de años. La velocidad radial aumenta monótonamente, pero la velocidad azimutal alcanza un máximo cerca del Sol. Los vientos azimutales super keplerianos pueden acelerar las partículas hacia afuera o hacia adentro, según la orientación. El semi-eje mayor de Mercurio es 0.39 AU. 
Crédito: Spalding y Adams 2020
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El viento solar hace que los escombros se descompongan en alrededor de un millón de años

Los autores agregaron la aceleración del viento solar a las ecuaciones orbitales de movimiento. Buscaron entonces la escala de tiempo de desintegración del semieje mayor y la excentricidad. Variaron la edad del Sol, la fuerza del viento solar, el ángulo de lanzamiento de escombros y la órbita inicial. En la mayoría de los casos, el viento solar hace que los escombros se descompongan en aproximadamente un millón de años. Esto es significativamente más corto que los diez millones de años que tardan los escombros en reacretar en la superficie, una indicación prometedora para su hipótesis.

Figura 3: Resultados de simulaciones numéricas con y sin viento solar. 
De las 110 partículas iniciales, una gran cantidad chocan con Mercurio muchas veces más en ausencia de viento solar que con él. Esto indica el papel del viento en la eliminación de los escombros de la colisión. 
Crédito: Spalding y Adams 2020
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Muchos investigadores estarían satisfechos con una solución analítica que apoye la hipótesis, pero estos autores querían seguir con un enfoque computacional. Las simulaciones pueden manejar fácilmente una física más sólida y realizar mejores pruebas de control. Los autores ejecutan simulaciones de N cuerpos de escombros del tamaño de un centímetro que orbitan Mercurio con y sin el viento solar. De ese modo rastrearon cada partícula para ver si choca con Mercurio o escapa para siempre.

La Figura 3 muestra los resultados. Ellos indican que la presencia de incluso un viento solar débil reduce significativamente el número de partículas que vuelven a aparecer en la superficie del planeta.

Más allá del Sistema Solar

Con una combinación de métodos analíticos y computacionales, los autores llegan a un resultado. Concluyen que un fuerte viento solar durante el período de fuertes impactos en Mercurio podría haber eliminado de la órbita el material expulsado. Además, esto sucedería en menos de un millón de años. Con el tiempo, esto provocó que el manto de silicato de Mercurio se perdiera hacia el Sol o hacia el Sistema Solar Exterior. De ese modo lo que quedó en el planeta fue el núcleo de hierro.

Los autores ofrecen la posibilidad de utilizar este trabajo en el estudio de exoplanetas. A medida que los físicos espaciales aprenden más y más sobre el viento solar y la heliosfera, la atención se ha vuelto hacia las astrosferas. Ellas son las heliosferas alrededor de estrellas distintas del Sol. Algunas detecciones de exoplanetas cercanos indican que están enriquecidos con hierro como Mercurio. Lo que lleva a la posibilidad de que su composición pueda usarse como una sonda indirecta de las características del viento estelar.

Fuente: Astrobites.

Artículo original: Solar Wind Takes Up Mercury’s Mantle. Will Saunders. December 2, 2020.

Astrobite original editado por Haley Wahl y Wynn Jacobson-Galan.

Nota: Astrobites es una organización dirigida por estudiantes de posgrado que digiere literatura astrofísica para estudiantes de pregrado. El astrobites que nos ocupa es la revisión del siguiente trabajo.

Título: El viento solar evita la reacreción de escombros después del impacto gigante de Mercurio
Autores:  Christopher Spalding y Fred C. Adams.
Institución del primer autor: Universidad de Yale.
Estado: Publicado en PSJ, (de acceso abierto).

Material relacionado

Observando el efecto del viento solar en Mercurio

Si no lo supieras mejor, adivinarías que se trata de una foto (abajo) de un cometa tomada en el crepúsculo. Eso es un coma y cola, ¿verdad?

No ¡Lo que realmente estás viendo es el planeta Mercurio arrastrando una cola de átomos de sodio! El astrónomo aficionado italiano Andrea Alessandrini estaba buscando un nuevo desafío. Quería intentar fotografiar algo nuevo, no en el radar de la mayoría de los astrofotógrafos. Alessandrini recordó un artículo sobre la cola de sodio de Mercurio, y lo hizo pensar.……

Cometa o …? 
El 27 de mayo de 2020, Andrea Alessandrini usó un pequeño telescopio refractor de 2.6 pulgadas equipado con un filtro especial para tomar esta notable foto del planeta Mercurio y su brillante cola de sodio. Su exposición duró 7½ minutos a un ISO de 1000. Este es uno de los tres intentos exitosos de fotografiar la cola. 
Crédito:
 Andrea Alessandrini
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El siguiente artículo lo presenta y contiene además una selección de recursos sobre el efecto del viento solar en otros cuerpos del Sistema Solar.

Sobre el origen y constitución de Mercurio

a)_Otra teoría de formación de Mercurio y de exoplanetas abundantes en Hierro.

La alta densidad de Mercurio ha sido un enigma de larga data en la ciencia planetaria. Su densidad significa que debe tener una abundancia de hierro significativamente mayor que Venus, la Tierra, Marte o los asteroides. Esto probablemente sea en forma de un gran núcleo de hierro.

En los últimos cuatro años, también hemos encontrado algunos exoplanetas rocosos irradiados, la mayoría de los cuales son incluso más calientes que Mercurio. Existe evidencia sugerente que los dos exoplanetas rocosos más calientes con masas medidas (Corot-7b y Kepler-10b) también pueden ser más ricos en hierro que la Tierra. Esto está en el ámbito de las estadísticas de números pequeños. Pero sugiere que hay algún proceso más universal que da forma a la formación y evolución de los planetas rocosos. En este artículo, los autores proponen una explicación para la formación tanto de Mercurio como de estos exoplanetas ricos en hierro.

b)_ Una composición rara

Imagen tomada por la nave MESSENGER durante el sobrevuelo de Mercurio del 14 de Enero del 2008, mostrando a Mercurio en plena fase creciente.
Crédito: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington.

Hace alrrededor de 4.6 mil millones de años atrás, el Sistema Solar era un caos de gases en colapso y partículas en rotación. Pequeñas partículas de polvo y gas se aglomeraron formando meteoroides más grandes y masivos. Estos a su vez chocaron entre sí y se agregaron hasta formar los planetas. Los científicos creen que poco después de su formación, estos planetas y en particular Mercurio, eran esferas rojizas de material fundido. Se enfriaron durante millones de años.

Ahora, los geólogos de MIT han trazado parte de la historia del enfriamiento de Mercurio. Encontraron que entre 4.2 y 3.7 mil millones de años atrás, su temperatura interior se desplomó a alrededor de 240ºCelsius o 460º Fahrenheit. Entonces esto ocurrió muy pronto después de la formación del planeta.

También determinaron basados en este rápido enfriamiento y en la composición de depósitos de lava superficiales, que Mercurio probablemente tenía la composición de una condrita estatita. Ese es un tipo de meteorito extremadamente raro aquí en la Tierra. Entérate de este trabajo yendo al siguiente artículo.

Algunas características de Mercurio

Acerca de la superficie de Mercurio

La órbita polar elíptica de MESSENGER hace que las mediciones en el Polo Norte de Mercurio son mejores que las del Polo Sur. También son mejores incluso que en el ecuador. Esto es evidente en la mejor resolución espacial que se puede ver en las latitudes altas en este mapa de elevación del hemisferio norte. Las principales estructuras de impacto se identifican con círculos negros.
Crédito: NASA / Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins / Institución Carnegie de Washington

Hasta hace relativamente poco tiempo, Mercurio era uno de los planetas del Sistema Solar Interior menos comprendidos. La misión MESSENGER a Mercury cambió todo eso. Los nuevos resultados del altímetro láser de Mercurio (MLA) y las mediciones de la gravedad nos sorprendido. Muestran que el planeta más cercano a nuestro Sol tiene la piel delgada y arrugada, lo cual es muy diferente de lo que pensamos originalmente.

La superficie es más oscura que la de la Luna

Arriba a la izquierda un mosaico de imágenes del lado cercano de la Luna y a la derecha otro de Mercurio con brillos relativos correctos, pero no a escala de tamaños como se ve en la figura inferior. La superficie de Mercurio es un 15% más oscura.
Images Credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington.
Comparación del tamaño de la Luna (izquierda) y Mercurio (derecha). 
Crédito Imagen: los datos utilizados son LRO WAC (NASA / GSFC / ASU) del lado cercano lunar y MESSENGER (NASA / JHU-APL) de Mercurio.

Los científicos han estado durante mucho tiempo confundidos acerca de lo que hace a la superficie de Mercurio tan oscura. El planeta más interior refleja la luz del Sol en mucho menor cantidad que la Luna. En la Luna la oscuridad de la superficie es controlada por la abundancia de minerales ricos en hierro. Estos, se sabe que son  poco frecuentes en la superficie de Mercurio, así que, ¿cuál es entonces  el “agente de oscurecimiento”? El artículo siguiente lo presenta.

En el Planeta más próximo al Sol existe hielo de agua en el interior en sombra permanente de los cráteres en las Regiones Polares.

Región Polar Norte de Mercurio. El planeta más interno Mercurio probablemente no sería una buena ubicación para los juegos olímpicos de invierno interplanetarios. Pero los resultados basados ​​en datos de la nave espacial MESSENGER, que orbitó Mercurio, indican que tiene hielo de agua sustancial. Se encuentra en regiones permanentemente sombreadas dentro de los cráteres cerca de su polo norte.  Más información.
Crédito: NASA / JHU Applied Physics Lab / Carnegie Inst. Washington.

Las observaciones de la nave espacial MESSENGER, han confirmado una hipótesis de larga data acerca de Mercurio. Es, que éste alberga abundante hielo de agua y otros materiales volátiles congelados en sus cráteres polares permanentemente sombreados. Los científicos discuten el hallazgo con los medios en la sede de la NASA en Washington, DC, el 29 de Noviembre, 2012:

Sobre el Sistema Solar y la ubicación de Mercurio en él

¿Alguna vez te preguntaste por qué no hay más planetas entre Mercurio y el Sol? Quizás sea culpa del Sol.

Aproximadamente la mitad de todos los sistemas planetarios tienen planetas mucho más cercanos a sus estrellas que Mercurio a nuestro Sol. ¿Puede el campo magnético de un sistema durante la etapa de formación planetaria explicar el por qué ?

Algunos exoplanetas similares a Mercurio

EL Sistema K2-229

 Relación masa-radio de algunos planetas del tamaño de la Tierra. 
Las diferentes curvas representan posibles densidades de composiciones teóricas.

Crédito: Figura tomada del paper de A. Santerne, B. Brugger, DJ Armstrong et al.

La Tierra, Marte y Venus son hermanos cercanos en nuestro Sistema Solar. Tienen composiciones a granel similares, que consisten en aproximadamente un 30% de núcleo de hierro y un 70% de manto de silicato. Mercurio, siendo el tipo más pequeño, está compuesto por un 70% de núcleo metálico y un 30% de manto de silicato. Los escenarios de evolución que pueden generar la composición rica en metales de Mercurio aún están en debate. Para hacer la historia aún más intrigante, los autores del artículo de hoy informan sobre el descubrimiento de un sistema planetario K2-229, con algo especial. En el mismo, el planeta interior tiene un radio similar a la Tierra pero una composición similar a la de Mercurio.

LHS 3844b

La ilustración de este artista representa al exoplaneta LHS 3844b, que tiene 1.3 veces la masa de la Tierra y orbita una estrella enana M. La superficie del planeta puede estar cubierta principalmente de roca de lava oscura, sin atmósfera aparente, según las observaciones del telescopio espacial Spitzer de la NASA. 
Crédito: NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (IPAC).

Con una órbita de 11 horas alrededor de su estrella madre, el planeta caliente probablemente no tiene atmósfera y puede estar cubierto de roca de lava oscura, según los datos de la cámara IRAC del telescopio Spitzer de la NASA. El artículo siguiente lo aborda.

Video: Charla Pública sobre Mercurio

Curiosidades

El caso peculiar de Mercurioun planeta con 2 amaneceres

Mercurio no posee una atmósfera sino una exósfera, similar a lo que sucede en la Luna.

Presenta una particular relación dinámica entre el día (período de rotación entorno a su eje) y el año (tiempo empleado en completar una órbita) de Mercurio. Esto junto a la gran excentricidad de su órbita, producen efectos en el movimiento aparente del Sol visto desde la superficie del planeta. Efectos que no son observados en ningún otro planeta del Sistema Solar. La siguiente animación lo muestra.

Doble Amanecer. 3DS Max AnimationCrédito: TOROYD. Dec. 20, 2010.

Para una explicación ver:

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