ASTRONOMÍA. Resonancia orbital: la sorprendente danza gravitacional que realizan los planetas con órbitas alineadas

Resonancia orbital: la sorprendente danza gravitacional que realizan los planetas con órbitas alineadas

 

Los planetas pueden afectarse gravitacionalmente entre sí cuando sus órbitas se alinean. NASA/JPL-Caltech

03 febrero 2024.- Los planetas orbitan alrededor de sus estrellas madre estando separados por distancias enormes: en nuestro sistema solar, los planetas son como granos de arena en una región del tamaño de un campo de fútbol. El tiempo que tardan los planetas en orbitar sus soles no tiene una relación específica entre sí.

Pero a veces sus órbitas muestran patrones sorprendentes. Por ejemplo, los astrónomos que estudian seis planetas que orbitan alrededor de una estrella a 100 años luz de distancia acaban de descubrir que orbitan su estrella con un ritmo casi rítmico, en perfecta sincronía. Cada par de planetas completa sus órbitas en tiempos que son proporciones de números enteros, lo que permite que los planetas se alineen y ejerzan un empuje y atracción gravitacional sobre el otro durante su órbita.

Este tipo de alineación gravitacional se llama resonancia orbital y es como una armonía entre planetas distantes. Los investigadores han descubierto más de 5.600 exoplanetas en los últimos 30 años y su extraordinaria diversidad sigue sorprendiendo a los astrónomos.

Armonía de las esferas

El matemático griego Pitágoras descubrió los principios de la armonía musical hace 2.500 años analizando los sonidos de los martillos de los herreros y las cuerdas pulsadas.

Creía que las matemáticas estaban en el corazón del mundo natural y propuso que el Sol, la Luna y los planetas emitían zumbidos únicos en función de sus propiedades orbitales. Pensó que esta “música de las esferas” sería imperceptible para el oído humano.

Hace cuatrocientos años, Johannes Kepler retomó esta idea. Propuso que los intervalos musicales y las armonías describían los movimientos de los seis planetas conocidos en ese momento.

Para Kepler, el sistema solar tenía dos bases, Júpiter y Saturno; un tenor, Marte; dos altos, Venus y la Tierra; y una soprano, Mercurio. Estos roles reflejaban cuánto tiempo le tomó a cada planeta orbitar alrededor del Sol, velocidades más bajas para los planetas exteriores y velocidades más altas para los planetas interiores.

Llamó al libro que escribió sobre estas relaciones matemáticas " La armonía del mundo ". Si bien estas ideas tienen algunas similitudes con el concepto de resonancia orbital, los planetas en realidad no emiten sonidos, ya que el sonido no puede viajar a través del vacío del espacio .

Resonancia orbital

La resonancia ocurre cuando los planetas o las lunas tienen períodos orbitales que son proporciones de números enteros . El período orbital es el tiempo que tarda un planeta en dar una vuelta completa a la estrella. Entonces, por ejemplo, dos planetas que orbitan alrededor de una estrella estarían en una resonancia 2:1 cuando un planeta tarda el doble que el otro en orbitar la estrella. La resonancia se ve sólo en el 5% de los sistemas planetarios .

En el sistema solar, Neptuno y Plutón están en resonancia 3:2. También hay una triple resonancia , 4:2:1, entre las tres lunas de Júpiter: Ganímedes, Europa e Ío. En el tiempo que le toma a Ganímedes orbitar alrededor de Júpiter, Europa orbita dos veces e Io orbita cuatro veces. Las resonancias ocurren naturalmente, cuando los planetas tienen períodos orbitales que son la proporción de números enteros.

La resonancia orbital, como se ve en las lunas de Júpiter, ocurre cuando las órbitas de los cuerpos planetarios se alinean; por ejemplo, Ío orbita a Júpiter cuatro veces en el tiempo que le toma a Europa orbitar dos veces y a Ganímedes una vez. WolfmanSF/Wikimedia Commons

Los intervalos musicales describen la relación entre dos notas musicales. En la analogía musical, los intervalos musicales importantes basados ​​en proporciones de frecuencias son la cuarta, 4:3, la quinta, 3:2 y la octava, 2:1. Cualquiera que toque la guitarra o el piano podría reconocer estos intervalos.

Las resonancias orbitales pueden cambiar la forma en que la gravedad influye en dos cuerpos, haciendo que se aceleren, desaceleren, se estabilicen en su trayectoria orbital y, a veces, se interrumpan sus órbitas.

Piense en empujar a un niño en un columpio . Tanto un planeta como un columpio tienen una frecuencia natural. Dale al niño un empujón que coincida con el movimiento del columpio y recibirá un impulso. También recibirán un impulso si los empujas cada dos veces que estén en esa posición, o cada tres veces. Pero empújalos en momentos aleatorios, a veces con el movimiento del columpio y otras veces en contra, y no obtendrás ningún impulso.

Para los planetas, el impulso puede mantenerlos continuando en sus trayectorias orbitales, pero es mucho más probable que interrumpa sus órbitas.

Resonancia de exoplanetas

Los exoplanetas, o planetas fuera del sistema solar, muestran sorprendentes ejemplos de resonancia, no sólo entre dos objetos sino también entre “cadenas” resonantes que involucran a tres o más objetos.

La estrella Gliese 876 tiene tres planetas con una relación de períodos orbitales de 4:2:1, al igual que las tres lunas de Júpiter. Kepler 223 tiene cuatro planetas con proporciones de 8:6:4:3.

La enana roja Kepler 80 tiene cinco planetas con proporciones de 9:6:4:3:2, y TOI 178 tiene seis planetas, de los cuales cinco están en una cadena resonante con proporciones de 18:9:6:4:3.

TRAPPIST-1 es el poseedor del récord. Tiene siete planetas similares a la Tierra, dos de los cuales podrían ser habitables , con relaciones orbitales de 24:15:9:6:4:3:2.

El ejemplo más nuevo de cadena resonante es el sistema HD 110067 . Está a unos 100 años luz de distancia y tiene seis planetas subneptuno, un tipo común de exoplaneta, con proporciones orbitales de 54:36:24:16:12:9. El descubrimiento es interesante porque la mayoría de las cadenas de resonancia son inestables y desaparecen con el tiempo.

A pesar de estos ejemplos, las cadenas resonantes son raras y sólo el 1% de todos los sistemas planetarios las presentan . Los astrónomos creen que los planetas se forman en resonancia, pero pequeños empujones gravitacionales de las estrellas que pasan y los planetas errantes borran la resonancia con el tiempo. Con HD 110067, la cadena resonante ha sobrevivido durante miles de millones de años, ofreciendo una vista única y prístina del sistema tal como era cuando se formó.

Música de órbitas planetarias, creada por astrónomos del Observatorio Europeo Austral.


Sonificación orbital

Los astrónomos utilizan una técnica llamada sonificación para traducir datos visuales complejos en sonido. Ofrece a las personas una forma diferente de apreciar las hermosas imágenes del Telescopio Espacial Hubble y se ha aplicado a datos de rayos X y ondas gravitacionales .

En el caso de los exoplanetas, la sonificación puede transmitir las relaciones matemáticas de sus órbitas. Los astrónomos del Observatorio Europeo Austral crearon lo que llaman “ música de las esferas ” para el sistema TOI 178 asociando un sonido en escala pentatónica a cada uno de los cinco planetas.

Se ha realizado una traducción musical similar para el sistema TRAPPIST-1, con las frecuencias orbitales aumentadas en un factor de 212 millones para ponerlas en un rango audible.

Los astrónomos también han creado una sonificación para el sistema HD 110067. Puede que la gente no se ponga de acuerdo sobre si estas interpretaciones suenan como música real, pero es inspirador ver las ideas de Pitágoras realizadas después de 2.500 años.

Fuente: Chris Impey. Profesor Universitario Distinguido de Astronomía, Universidad de Arizona

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