Un anillo del mundo lejano Quaoar pone en jaque una teoría centenaria

Desde 1850 se pensaba que existe una distancia a la que se pueden agregar las partículas para formar un anillo alrededor de un cuerpo central. Sin embargo, el objeto transneptuniano Quaoar presenta uno mucho más allá de ese límite.

Concepción artística de Quaoar y su anillo. / IAA-CSIC

Hasta 2013 solo se conocían anillos alrededor de los planetas gigantes del sistema solar, como los de Saturno, pero ese año se descubrieron los dos finos anillos del objeto centauro Cariclo, y más tarde, en 2017, el del objeto transneptuniano (TNO) Haumea

Ahora, el hallazgo de un anillo alrededor de otro transneptuniano, Quaoar, complica el escenario, ya que desafía la teoría aceptada de a qué distancia deben acumularse los fragmentos de polvo y hielo que forman los anillos.

El anillo de Quaoar desafía la teoría aceptada de a qué distancia deben acumularse los fragmentos de polvo y hielo que forman estas estructuras circulares

El trabajo se publica en Nature y es fruto de una colaboración internacional enmarcada en el proyecto europeo ERC Advanced Grant Lucky Star

Quaoar es un gran objeto transneptuniano que muestra aproximadamente la mitad del tamaño de Plutón y que orbita a 43 unidades astronómicas del Sol (43 veces la distancia entre la Tierra y el Sol).

Una propiedad única y sorprendente del anillo es su gran radio que, con 4100 kilómetros, corresponde a unos 7,4 radios de Quaoar. 

Mucho más allá del límite establecido

Esto se halla mucho más allá del denominado límite de Roche, la distancia dentro de la que, según la teoría desarrollada por Edouard Roche alrededor de 1850, las fuerzas de marea del cuerpo central impiden que las partículas se agreguen en un satélite. Los anillos suelen estar en ese límite o hacia su interior.

Según esta teoría, un anillo de colisión en el interior de esa frontera no puede acumularse, mientras que fuera se espera que las partículas se agreguen y se forme un satélite en escalas de tiempo de solo semanas.

Quaoar tiene un anillo situado mucho más allá del límite de Roche, la distancia a partir de la cual debería formarse un satélite, según una teoría de 1850

Y hasta ahora esto era lo que se había observado: todos los anillos densos de los cuatro planetas gigantes, así como los anillos de Cariclo y Haumea, se encuentran efectivamente dentro o cerca del límite de Roche de sus respectivos cuerpos. En cambio, el anillo de Quaoar ocupa una órbita donde debería haberse formado un satélite. 

«Cuando por primera vez vimos la posible existencia de un anillo fuera del límite de Roche en los excelentes datos obtenidos con el Gran Telescopio Canarias nos dimos cuenta de que podríamos tardar bastantes años en probar de forma contundente esta circunstancia, pero finalmente lo conseguimos en unos pocos años gracias a un importante esfuerzo internacional», destaca José Luis Ortiz, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) que participa en el trabajo. 

Cálculos teóricos y simulaciones

El descubrimiento del anillo de Quaoar desencadenó numerosos estudios numéricos, y se desarrollaron simulaciones locales de autogravitación. Mientras que las leyes de colisión utilizadas clásicamente para describir los anillos de Saturno dieron como resultado acumulaciones rápidas, que sí favorecerían la formación de un satélite en esa región, las leyes de colisión más elásticas obtenidas en el laboratorio a bajas temperaturas mostraron lo contrario.

En este último caso, las velocidades posteriores al impacto entre las partículas permanecen lo suficientemente altas como para escapar de las atracciones de las demás y, finalmente, superar su tendencia a acumularse.

Por lo tanto, mientras que el criterio de Roche parece sólido para explicar cómo las fuerzas de marea interrumpen la formación de un satélite para formar un anillo, el proceso contrario, la acumulación de partículas en un satélite, implica mecanismos más complejos que hasta ahora se han pasado por alto. 

Sin embargo, aún persisten incógnitas en relación a este pequeño objeto. «Curiosamente, el anillo se encuentra a una distancia de Quaoar en la que las partículas que lo forman tardan en dar una vuelta alrededor de Quaoar justo tres veces más tiempo de lo que tarda Quaoar en dar un giro sobre sí mismo. Se trata de un fenómeno que ya observamos antes en el planeta enano Haumea y creemos que ocurre también en Cariclo, por lo que parece existir un patrón común en la formación de anillos densos”, concluye Ortiz.

Las partículas que forman el anillo tardan en dar una vuelta alrededor de Quaoar justo tres veces más de lo que tarda este objeto en dar un giro sobre sí mismo

José Luis Ortiz (IAA-CSIC)

El hallazgo de anillos en objetos tan pequeños y distantes del sistema solar se realiza utilizando el método de ocultación estelar, que consiste en observar objetos que transitan por delante de las estrellas de fondo.

Los anillos de Cariclo y Haumea implicaban que estas estructuras circulares debían ser comunes entre los pequeños objetos del sistema solar exterior, y su búsqueda era uno de los objetivos principales del proyecto Lucky Star, liderado por Bruno Sicardy (Observatorio de París). 

El descubrimiento del anillo de Quaoar surgió de la combinación de ocultaciones estelares observadas entre 2018 y 2021 desde un telescopio robótico en Namibia (proyecto HESS), el Gran Telescopio Canarias (La Palma), el telescopio espacial CHEOPS (ESA) y estaciones de aficionados australianas en la región de Brisbane. 

Referencia:

B. E. Morgado et al. «A dense ring of the trans-Neptunian object Quaoar outside its Roche Limit». Nature, 2023

 
Fuente: SINC/IAA-CSIC
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