Los misteriosos anillos de Quaoar

En 1610, Galileo Galilei apuntó su telescopio hacia el gran gigante gaseoso y observó por primera vez los anillos de Saturno, aunque su instrumento no era tan potente para distinguir la verdadera naturaleza de estas magníficas estructuras. En 1655, el astrónomo holandés Christiaan Huygens fue el primero en describir con precisión los anillos de Saturno como discos de partículas que rodean el planeta. En los siglos siguientes, también se descubrieron anillos alrededor de Júpiter, Urano y Neptuno. Hasta hace poco, se descubrió que los anillos no sólo se forman en los cuerpos grandes del Sistema Solar.

En el año 2013, un equipo científico descubrió un sistema de dos anillos alrededor de Cariclo, un objeto centauro del Sistema Solar. Después, en 2017, se descubrió un anillo alrededor del planeta enano Haumea. Utilizando datos de las ocultaciones estelares entre 2018 y 2021, el mismo equipo descubrió un anillo alrededor del candidato a planeta enano transneptuniano, Quaoar, pero a una distancia inusualmente lejana de lo que se creía posible. El descubrimiento de este anillo se publicó en la revista Nature en febrero de 2023. Ahora, el equipo anunció que el sistema de anillos de Quaoar es más complejo de lo que se pensaba, pues se descubrió un segundo anillo orbitando Quaoar mucho más cerca que el primer anillo, pero a una distancia igual de cuestionable. La existencia de estos anillos desafía las nociones clásicas que indican dónde pueden existir los sistemas de anillos en relación al cuerpo que orbitan.

Los anillos son estructuras que atraen la atención de la gente, especialmente los majestuosos anillos de Saturno.

“Los anillos son estructuras que atraen la atención de la gente, especialmente los majestuosos anillos de Saturno”, afirma Chrystian Luciano Pereira, estudiante de postdoctorado del Observatório Nacional de Brasil y autor principal del artículo. “Nuestro trabajo demuestra que los cuerpos pequeños tienen anillos que son mucho más curiosos que los observados en los planetas gigantes. Además, nuestro trabajo incluye la participación de astrónomos ciudadanos, que ayudaron a lograr este inesperado descubrimiento astronómico”.

El 9 de agosto de 2022, el equipo observó una ocultación estelar –cuando un objeto en el Sistema Solar pasa por delante de una estrella y bloquea su luz por unos instantes– para comprender mejor el primer anillo de Quaoar (Q1R) descubierto unos meses atrás. Los resultados de esta campaña de observación se publicaron en abril de 2023 en la revista Astronomy & Astrophysics. Con la potencia de imágenes de alta resolución del instrumento ‘Alopeke en Gemini Norte, la mitad boreal del Observatorio Internacional Gemini, operado por NOIRLab de NSF, el equipo pudo detectar pequeñas variaciones en la luz de la estrella al pasar detrás del delgado y tenue sistema de anillos de Quaoar. Durante estas observaciones, el equipo se sorprendió al descubrir inesperadamente un segundo anillo (Q2R) orbitando entre Quaoar y Q1R.

Gemini Norte en un increíble atardecer nublado mientras el telescopio (visible a través de las compuertas de ventilación abiertas) se prepara para las operaciones nocturnas.

Credit: International Gemini Observatory/NSF’s NOIRLab/AURA/J. Pollard

A diferencia de los anillos observados alrededor de Cariclo, Haumea, y los cuatro planetas gigantes, los anillos de Quaoar se sitúan mucho más allá del límite de Roche. Según la teoría propuesta por el astrónomo francés Édouard Albert Roche en 1848, todo lo que orbita dentro de este límite se desintegrará para formar un anillo de partículas, mientras que fuera de este límite, dichas partículas se acumularían rápidamente para formar lunas. Se estima que el límite de Roche de Quaoar se encuentra a 1,780 kilómetros desde el centro del objeto, pero Q1R orbita alrededor de Quaoar a una distancia de 4,060 km y Q2R a 2,520 km, es decir, mucho más lejos de ese límite. Curiosamente –y a pesar de estar fuera del límite de Roche– ambos anillos permanecen como corrientes de partículas en lugar de convertirse en cuerpos sólidos. Aún se desconoce cómo pueden mantener esta estructura, aunque se especula que la relación entre la velocidad de rotación de Quaoar y las velocidades orbitales de los anillos podrían ser un factor importante a analizar, como se ha propuesto para los anillos que rodean Cariclo y Haumea.

Otra propiedad inusual de los anillos de Quaoar es la variabilidad de la anchura y opacidad que tiene Q1R. Las observaciones de Q1R durante el evento de ocultación estelar revelaron dos regiones distintas del anillo: en una región, la corriente de partículas (anillo) tiene una estructura angosta y confinada de unos 5 kilómetros de ancho y tiene un aspecto opaco, lo que significa que es bastante densa. En la otra región, el anillo es más ancho, con una anchura promedio de 90 kilómetros, y una dispersión más fina de partículas con menos de 1% de opacidad comparada con la región más densa. “Este tipo de estructura no se había detectado alrededor de cuerpos pequeños del Sistema Solar”, afirma Pereira. Una explicación de esta estructura confinada es que Q1R esté influenciado por la presencia de Weywot, una pequeña luna que orbita Quaoar. Por otro lado, Q2R presenta una anchura constante de unos 10 kilómetros en toda su estructura.

Este tipo de estructura no se había detectado alrededor de cuerpos pequeños del Sistema Solar.

Las variaciones en la anchura y opacidad de Q1R, la razón por la que Q2R no presenta el mismo comportamiento y la forma en que ambos conservan su estructura de partículas contribuyen a la curiosa naturaleza de los anillos de Quaoar. Es posible que pequeños satélites “pastores” aún sin detectar estén confinando los anillos y los mantienen en su lugar.

Los trabajos futuros para determinar con precisión la forma de Quaoar, así como nuevas observaciones de sus anillos, serán importantes para comprender mejor el sistema dinámico y el rol que desempeñan las resonancias orbitales para mantener y confinar los anillos. Pero independientemente de qué fuerzas intervienen en este proceso, la existencia de Q1R y Q2R implica que la noción clásica del límite de Roche debe revisarse a fondo en el caso de los cuerpos planetarios pequeños.

“La teoría propuesta de Roche es sólida para explicar cómo las fuerzas de marea interrumpen la formación de un satélite para formar un anillo cuando se acerca demasiado al cuerpo central. Comprender mejor este proceso nos ayudará a mejorar nuestro conocimiento sobre la formación y evolución de nuestro Sistema Solar”, afirma Pereira.