Caos en el equilibrio c¨®smico

Uno de los mayores avances que nos trajo el siglo XX en el conocimiento del Sistema solar, m¨¢s all¨¢ del descubrimiento de decenas de lunas y de un planeta, Plut¨®n, que luego ha sido destituido como tal, es la identificaci¨®n de miles de ¨®rbitas de asteroides, el c¨¢lculo de cientos de ¨®rbitas de cometas y la estimaci¨®n de la presencia en el cintur¨®n de Edgeworth-Kuiper de cientos de millones de rocas con un tama?o medio de 20 kil¨®metros. En el inventario de nuestro entorno inmediato hemos a?adido a los cuerpos grandes como el Sol y los planetas la presencia de un sin fin de cuerpos peque?os.

El Sistema solar se ha llenado de objetos y todos son importantes porque en entender el movimiento de asteroides, cometas y part¨ªculas que puedan impactar la Tierra nos va la vida. Pero lo que nos ha quedado claro en los ¨²ltimos a?os es que esa delicada estructura de rocas grandes y peque?as, planetas y lunas orbitando nuestra estrella no es tan simple como sugieren las leyes de Kepler. Funcionan las leyes de Newton s¨ª, pero el delicado efecto gravitatorio que determina el movimiento son las resonancias; los cambios asociados al efecto acumulativo de las interacciones gravitatorias entre los planetas, los efectos de fuerzas de marea y la relatividad general.

Las resonancias conforman un sutil efecto gravitatorio, acumulan un delicado efecto que opera con el tiempo y como de eso hay mucho en astrof¨ªsica donde trabajamos a escalas de miles y millones de a?os, acaban ejerciendo como el agua en el paisaje y horadan la mism¨ªsima estructura din¨¢mica del Sistema solar.

Una resonancia aparece cuando se produce una relaci¨®n num¨¦rica sencilla entre frecuencias o periodos como, por ejemplo, entre el periodo de rotaci¨®n y el orbital de un objeto. Uno de los casos m¨¢s obvios de este fen¨®meno lo encontramos en la Luna, que vuelve a estar de moda, y tiene, adem¨¢s de una foto preciosa, un periodo orbital (alrededor de la Tierra) similar a su periodo de rotaci¨®n (sobre su eje). Como consecuencia, nuestro sat¨¦lite siempre nos muestra la misma cara. Tambi¨¦n se pueden dar entre dos planetas cuando las ¨®rbitas est¨¢n acopladas como es el caso de la relaci¨®n 5:2 entre los periodos orbitales de los planetas J¨²piter y Saturno que provoca que sus elementos orbitales se modifiquen en escalas temporales de 900 a?os. Las resonancias seculares se producen a muy largo plazo y est¨¢n asociadas con la precesi¨®n en el espacio de las ¨®rbitas de los planetas (para quien sepa lo que es una peonza se puede visualizar en el movimiento de giro de su eje de rotaci¨®n).

La cuesti¨®n es que los a?os 80 del siglo pasado, adem¨¢s de hombreras, calentadores y cortes de pelo cuestionables, nos trajeron los ordenadores y la posibilidad de resolver las ecuaciones de la din¨¢mica de varios cuerpos a intervalos temporales largos, o sea realistas. Y con la realidad lleg¨® el caos. Vamos que ahora, pero desde no hace mucho, sabemos que el caos ha jugado un papel fundamental en la evoluci¨®n din¨¢mica del Sistema solar y ah¨ª las resonancias, bien para estabilizar bien para desestabilizar, juegan un papel fundamental.

Pero, ?qu¨¦ entendemos por caos en din¨¢mica cuando estudiamos el movimiento de varios cuerpos a la vez? Aunque no existe una definici¨®n universalmente aceptada de caos podemos entenderlo en este caso, como una simple contraposici¨®n a determinismo y determinista en este contexto significa que el estado actual del sistema permite calcular sus estados pasado y futuro si conocemos todas las fuerzas que act¨²an. Las ecuaciones del movimiento son en el caso determinista como la bola de cristal que nos permite conocer el futuro. El fen¨®meno llamado caos nos dice que desafortunadamente esto no es as¨ª para algunos sistemas din¨¢micos, rompemos la bola de cristal y entramos en el reino de las probabilidades.

En el estudio del Sistema solar y de otros sistemas planetarios hemos pasado del modelo regular determinista de Newton y Laplace al modelo ca¨®tico de los estudios num¨¦ricos y anal¨ªticos m¨¢s actuales. Un objeto en el Sistema solar se dice que exhibe movimiento ca¨®tico si su estado din¨¢mico final tiene una dependencia sensible de su estado inicial. Ahora sabemos que planetas y sat¨¦lites evolucionan en una gran variedad de escalas temporales y que tienen ¨®rbitas que son diferentes de las que ten¨ªan hace 4.5 millones de a?os cuando se form¨® el sistema y que el caos explica muchas cosas, por ejemplo la rotaci¨®n inusual de Hiperi¨®n la luna esponjosa de Saturno o la presencia de los llamados huecos de Kirkwood en el cintur¨®n de asteroides. Existe evidencia reciente de que incluso el movimiento orbital de la Tierra pudiera ser ca¨®tico.

Y parte del caos es la estabilidad o su carencia. La estabilidad a largo plazo de un sistema se ve afectada por fen¨®menos, algunos, que le son ajenos algunos y otros que son intr¨ªnsecos. Por ejemplo, el Sistema solar se mueve dentro de una Galaxia, la nuestra, que contiene otras estrellas y como el roce hace el cari?o esto significa que, de vez en cuando, alguna nos puede pasar cerca. La mayor parte de los encuentros casuales no alteran sensiblemente, menos mal, la estructura de nuestro sistema planetario. Pero si es verdad que algunos de los m¨¢s sutiles pueden desencadenar un efecto catastr¨®fico a largo plazo. Un c¨¢lculo reciente encuentra que peque?as perturbaciones de las ¨®rbitas de los planetas externos pueden transmitirse y afectar con el tiempo la probabilidad de que los planetas internos se desestabilicen. La evoluci¨®n futura del Sistema solar contempla un 1% de posibilidades de que la ¨®rbita de Mercurio se desestabilice, provocando una colisi¨®n o un escape, en los pr¨®ximos cinco mil millones de a?os.

Pero ese no es el ¨²nico peligro para la estabilidad de nuestro planeta. Hace a?os que sabemos que el uno por ciento de las soluciones de evoluci¨®n del Sistema solar presentan un aumento de la excentricidad de la ¨®rbita de Mercurio lo suficientemente grande como para que acabe colisionando con Venus o el Sol. Y lo que es m¨¢s sorprendente, en una de estas soluciones de alta excentricidad, una posterior disminuci¨®n de la excentricidad de Mercurio induce una transferencia de momento angular desde los planetas gigantes que desestabiliza todos los planetas terrestres en una escala de tres mil millones de a?os con posibles colisiones de Mercurio, Marte o Venus con la Tierra. El futuro del Sol tambi¨¦n nos depara incertidumbre ya que se espera que la evoluci¨®n de nuestra estrella y la p¨¦rdida de masa asociada provocar¨¢ la desestabilizaci¨®n a largo plazo de todo el Sistema solar.

El mism¨ªsimo fundador de la ciencia de la din¨¢mica no lineal, Pierre-Simon Laplace, cre¨ªa en un universo determinista donde una vez descubiertas las leyes de la naturaleza simplemente conociendo las condiciones iniciales y resolviendo las ecuaciones apropiadas se conocer¨ªa todo acerca del sistema. Ahora sabemos que, al menos en lo que a la din¨¢mica del Sistema solar se refiere, esto, de momento, no es as¨ª.

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de un ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa; Patricia S¨¢nchez Bl¨¢zquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa.

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