Caos en el equilibrio cósmico

Uno de los mayores avances que nos trajo el siglo XX en el conocimiento del Sistema solar, más allá del descubrimiento de decenas de lunas y de un planeta, Plutón, que luego ha sido destituido como tal, es la identificación de miles de órbitas de asteroides, el cálculo de cientos de órbitas de cometas y la estimación de la presencia en el cinturón de Edgeworth-Kuiper de cientos de millones de rocas con un tamaño medio de 20 kilómetros. En el inventario de nuestro entorno inmediato hemos añadido a los cuerpos grandes como el Sol y los planetas la presencia de un sin fin de cuerpos pequeños.

El Sistema solar se ha llenado de objetos y todos son importantes porque en entender el movimiento de asteroides, cometas y partículas que puedan impactar la Tierra nos va la vida. Pero lo que nos ha quedado claro en los últimos años es que esa delicada estructura de rocas grandes y pequeñas, planetas y lunas orbitando nuestra estrella no es tan simple como sugieren las leyes de Kepler. Funcionan las leyes de Newton sí, 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 astrofísica donde trabajamos a escalas de miles y millones de años, acaban ejerciendo como el agua en el paisaje y horadan la mismísima estructura dinámica del Sistema solar.

Una resonancia aparece cuando se produce una relación numérica sencilla entre frecuencias o periodos como, por ejemplo, entre el periodo de rotación y el orbital de un objeto. Uno de los casos más obvios de este fenómeno lo encontramos en la Luna, que vuelve a estar de moda, y tiene, además de una foto preciosa, un periodo orbital (alrededor de la Tierra) similar a su periodo de rotación (sobre su eje). Como consecuencia, nuestro satélite siempre nos muestra la misma cara. También se pueden dar entre dos planetas cuando las órbitas están acopladas como es el caso de la relación 5:2 entre los periodos orbitales de los planetas Júpiter y Saturno que provoca que sus elementos orbitales se modifiquen en escalas temporales de 900 años. Las resonancias seculares se producen a muy largo plazo y están asociadas con la precesión en el espacio de las órbitas de los planetas (para quien sepa lo que es una peonza se puede visualizar en el movimiento de giro de su eje de rotación).

La cuestión es que los años 80 del siglo pasado, además de hombreras, calentadores y cortes de pelo cuestionables, nos trajeron los ordenadores y la posibilidad de resolver las ecuaciones de la dinámica de varios cuerpos a intervalos temporales largos, o sea realistas. Y con la realidad llegó el caos. Vamos que ahora, pero desde no hace mucho, sabemos que el caos ha jugado un papel fundamental en la evolución dinámica del Sistema solar y ahí las resonancias, bien para estabilizar bien para desestabilizar, juegan un papel fundamental.

Pero, ¿qué entendemos por caos en dinámica cuando estudiamos el movimiento de varios cuerpos a la vez? Aunque no existe una definición universalmente aceptada de caos podemos entenderlo en este caso, como una simple contraposición 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 actúan. Las ecuaciones del movimiento son en el caso determinista como la bola de cristal que nos permite conocer el futuro. El fenómeno llamado caos nos dice que desafortunadamente esto no es así para algunos sistemas dinámicos, 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 caótico de los estudios numéricos y analíticos más actuales. Un objeto en el Sistema solar se dice que exhibe movimiento caótico si su estado dinámico final tiene una dependencia sensible de su estado inicial. Ahora sabemos que planetas y satélites evolucionan en una gran variedad de escalas temporales y que tienen órbitas que son diferentes de las que tenían hace 4.5 millones de años cuando se formó el sistema y que el caos explica muchas cosas, por ejemplo la rotación inusual de Hiperión la luna esponjosa de Saturno o la presencia de los llamados huecos de Kirkwood en el cinturón de asteroides. Existe evidencia reciente de que incluso el movimiento orbital de la Tierra pudiera ser caótico.

Y parte del caos es la estabilidad o su carencia. La estabilidad a largo plazo de un sistema se ve afectada por fenómenos, algunos, que le son ajenos algunos y otros que son intrínsecos. Por ejemplo, el Sistema solar se mueve dentro de una Galaxia, la nuestra, que contiene otras estrellas y como el roce hace el cariño 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 más sutiles pueden desencadenar un efecto catastrófico a largo plazo. Un cálculo reciente encuentra que pequeñas perturbaciones de las órbitas de los planetas externos pueden transmitirse y afectar con el tiempo la probabilidad de que los planetas internos se desestabilicen. La evolución futura del Sistema solar contempla un 1% de posibilidades de que la órbita de Mercurio se desestabilice, provocando una colisión o un escape, en los próximos cinco mil millones de años.

Pero ese no es el único peligro para la estabilidad de nuestro planeta. Hace años que sabemos que el uno por ciento de las soluciones de evolución del Sistema solar presentan un aumento de la excentricidad de la órbita de Mercurio lo suficientemente grande como para que acabe colisionando con Venus o el Sol. Y lo que es más sorprendente, en una de estas soluciones de alta excentricidad, una posterior disminución 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 años con posibles colisiones de Mercurio, Marte o Venus con la Tierra. El futuro del Sol también nos depara incertidumbre ya que se espera que la evolución de nuestra estrella y la pérdida de masa asociada provocará la desestabilización a largo plazo de todo el Sistema solar.

El mismísimo fundador de la ciencia de la dinámica no lineal, Pierre-Simon Laplace, creía en un universo determinista donde una vez descubiertas las leyes de la naturaleza simplemente conociendo las condiciones iniciales y resolviendo las ecuaciones apropiadas se conocería todo acerca del sistema. Ahora sabemos que, al menos en lo que a la dinámica del Sistema solar se refiere, esto, de momento, no es así.

Vacío Cósmico es una sección 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 científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de un átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología.

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