En ocasiones veo anillos (y no sólo en los planetas) 

Representación artística del centauro Cariclo y sus dos anillos. Lucie Maquet / LESIA-Observatoire de Paris

Hasta hace muy poco tiempo pensábamos que sólo los planetas, y en particular los planetas gigantes, podían tener anillos. En el caso de nuestro sistema solar, es de sobra conocido que Saturno los exhibe vistosos y espectaculares. Sin embargo, es mucho menos sabido que también Júpiter, Urano y Neptuno cuentan con los suyos, aunque son mucho más débiles y delgados que los de Saturno.

Todo lo que creíamos saber sobre anillos cambió en el año 2013, cuando, utilizando una técnica muy precisa llamada ocultación estelar, se descubrió un anillo alrededor de Cariclo, un pequeño cuerpo helado del sistema solar de apenas 250 kilómetros de tamaño.

Cariclo pertenece a una familia de objetos conocidos como centauros, pequeños cuerpos helados con órbitas comprendidas entre la de Júpiter y la de Neptuno. Presentan una doble naturaleza: a veces se comportan como cuerpos inactivos y otras como cometas activos. De ahí su nombre, inspirado en las criaturas mitológicas mitad caballo mitad humano.

El descubrimiento de este anillo alrededor de un cuerpo no planetario como Cariclo fue una sorpresa que desató más interrogantes que certezas: ¿cómo se había formado?, ¿cómo se mantenía confinado?, ¿qué edad tenía?, ¿cuánto tiempo podría durar antes de desaparecer?

La revolución de los anillos

Pero la sorpresa no terminó ahí. Poco tiempo después se reunieron pruebas, obtenidas también mediante la técnica de las ocultaciones estelares, que parecían apuntar a que otro centauro llamado Quirón (de unos 200 kilómetros de tamaño) podría también tener su propio anillo. La revolución de los anillos alrededor de cuerpos no planetarios no había hecho más que empezar.

Pero antes de avanzar en los nuevos descubrimientos, tras las detecciones en los centauros Cariclo y Quirón, vamos a describir en qué consiste la técnica de las ocultaciones estelares que está dando resultados tan espectaculares.

En esencia, es un método muy básico, ya que consiste en predecir y observar cuándo un cuerpo del sistema solar pasa delante de una estrella, tapándonos su luz. Si observamos la ocultación desde varios lugares en la superficie de la Tierra, podremos reconstruir la forma del cuerpo con gran precisión y obtener información comparable a la que se conseguiría mediante una misión espacial a dicho cuerpo.

Esquema de una ocultación estelar producida por un objeto transneptuniano o un centauro.
P. Santos Sanz, Author provided

El problema, como sucede a menudo, está en los detalles, ya que predecir una ocultación estelar no es tarea fácil.

Para empezar, el tamaño aparente en el cielo de esos lejanos objetos del sistema solar es muy pequeño: del orden de la decena o pocas decenas de miliarcosegundos (1 miliarcosegundo equivale a 1/3600000 grados). Para hacernos una idea, un objeto con un tamaño en el cielo de 30 miliarcosegundos equivale a una moneda de un euro vista a… ¡140 kilómetros!

Pero no sólo las pequeñas dimensiones de esos objetos complican las predicciones. También lo pone difícil la gran incertidumbre en sus órbitas, que hace que no sepamos con gran precisión dónde van a estar en el cielo en un instante dado.

Y para complicar aún más las cosas, la posición de las propias estrellas en el firmamento debe conocerse con precisión exquisita, algo que sólo ha sido posible en los últimos tiempos gracias a las mediciones del satélite Gaia de la ESA.

Pese a todas las dificultades, hemos logrado predecir y detectar hasta ahora unas 140 ocultaciones producidas por unos 50 de esos cuerpos distantes.

Desgraciadamente, sólo una veintena de ellas han sido observadas desde más de dos lugares, que es la condición necesaria para obtener medidas precisas de la forma y tamaño del objeto.

Más sorpresas anilladas

Fue la predicción y detección de una de estas ocultaciones estelares por el planeta enano Haumea, el 21 de enero de 2017, la que permitió medir con gran precisión la forma tridimensional, el tamaño y la densidad de este objeto de unos 1 600 kilómetros de diámetro medio. Y, oh sorpresa, ¡también lo rodeaba un anillo!

Este planeta enano (categoría a la que ahora pertenece Plutón) forma parte de la familia de los objetos transneptunianos; es decir, que orbitan mas allá de Neptuno, en los helados confines de nuestro sistema solar.

Representación artística del planeta enano Haumea y su anillo.
IAA / CSIC / J.M. Madiedo.

Tras el descubrimiento de un nuevo anillo alrededor de un cuerpo no planetario quedaba claro que no sólo los centauros, sino también los objetos transneptunianos podían tenerlos. Estas estructuras anulares parecen estar compuestas de hielo de agua, junto con partículas de polvo y otros hielos.

Y así estaban las cosas hasta que, juntando datos de ocultaciones estelares entre 2018 y 2021 del objeto transneptuniano Quaoar (que tiene un tamaño de unos 1 100 kilómetros), se descubrió otro anillo alrededor de este planeta enano. Hablaríamos sólo de una detección más (¡y van cuatro!) si no fuera por el hecho de que este anillo se encuentra donde no debería estar.

Recreación del objeto transneptuniano Quaoar y su anillo.
J. M. Madiedo, J. L. Ortiz (IAA-CSIC)

Hasta ahora, todos los anillos descubiertos estaban situados bastante cerca de sus cuerpos progenitores, dentro del llamado límite de Roche, donde las fuerzas de marea impiden que material con densidades razonables se agregue hasta formar un satélite. Pues bien, el anillo de Quaoar se encuentra fuera del citado límite. Estamos, por lo tanto, viendo algo teóricamente imposible: un anillo donde en realidad debería haber una luna.

Una posible explicación es que entre las partículas del anillo de Quaoar se producen choques elásticos que impiden que éstas se “fusionen” para formar un satélite. Además, el nuevo descubrimiento constata que los anillos alrededor de esos cuerpos parecen ser mucho más comunes de lo que pensábamos: quizá alrededor del 20-25% de los objetos transneptunianos y centauros podrían tener anillos.

Vídeo del Instituto de Astrofísica de Andalucía sobre el descubrimiento del anillo de Quaoar.

Terra ignota

Todos los anillos descubiertos están, curiosamente, muy cerca de la llamada resonancia spin-órbita 3:1. Esto significa que los cuerpos rotan alrededor de sí mismos tres veces en el mismo tiempo que una partícula del anillo realiza una órbita completa alrededor del objeto. Esta relación parece tener gran importancia en el confinamiento y estabilidad de dichos anillos.

Aún desconocemos su origen o edad, aunque sospechamos que podrían formarse a partir de material arrancado de la propia superficie de los objetos que circundan mediante colisiones o por una rotación muy rápida. Su longevidad es por ahora un misterio, pero deben ser relativamente estables y con tiempos de vida largos para que hayamos podido detectar al menos cuatro.

En los próximos años asistiremos al descubrimiento de muchos más anillos alrededor de centauros y objetos transneptunianos, lo que arrojará luz sobre éstos y otros misterios sin resolver. Y así cambiará, de nuevo, el actual paradigma sobre la física de nuestro sistema solar y otros sistemas planetarios.

Pablo Santos Sanz recibe fondos de la subvención CEX2021-001131-S financiada por MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033 y del proyecto español AYA-RTI2018-098657-J-I00 “LEO-SBNAF” (MCIU/AEI/FEDER, UE).