Efectos de acoplamiento de marea

Aunque las fuerzas de marea se llaman así por ser responsables de las mareas oceánicas, son un fenómeno gravitatorio general. La interacción gravitatoria entre dos cuerpos celestes conlleva una diferencia en la intensidad de la fuerza gravitatoria entre el extremo cercano y el lejano, a la que denominamos fuerza de marea (concepto y cálculo estimado de su valor en la Tierra en este documento)

 Suponiendo que ambos cuerpos tengan inicialmente forma esférica, la fuerza de marea entre ambos tiende a distorsionarlos, convirtiéndoles en elipsoides. Recíprocamente, las distorsiones generadas en cada cuerpo, afectan a los parámetros orbitales del otro y el sistema ha de evolucionar hasta que se establezca una condición de estabilidad mutua. Por ello, las fuerzas de marea son responsables de muchos de fenómenos astronómicos y/o astrofísicos.

Rotación síncrona de satélites

Un satélite tiene rotación síncrona cuando su periodo de rotación alrededor de un eje propio coincide con el traslación orbital alrededor del planeta. Además de la Luna, se sabe que otros 22 satélites del Sistema Solar tienen rotación síncrona. Algunos de ellos son Phobos y Deimos con Marte; o Amalthea, Io, Europa, Ganymede y Callisto con Júpiter. Además, se sospecha que otros 7 satélites rotan de la misma manera: Thebe (Júpiter), Prometheus, Pandora, Calypso y Titan (Saturno), etc. La rotación síncrona se alcanza mediante un proceso natural llamado acoplamiento de marea.

Para entender dicho proceso, podemos suponer la situación inicial que ilustra la figura adjunta, en donde el satélite, debido a las fuerzas de marea, tiene forma de elipsiode. Entonces se ejerce una atracción gravitatoria extra sobre la zona abultada o, más precisamente, actúa un par de fuerzas entre el planeta y el satélite. Dicho par propicia la evolución del sistema hacia la configuración de mínima energía que se obtiene al alinear el eje mayor del satélite con el planeta. Mientras se mantenga dicha configuración, la zona abultada del satélite siempre mira hacia el planeta, lo que implica tener una rotación síncrona.

El ejemplo más conocido de rotación síncrona es el de la Luna. Se cree que en los instantes iniciales, tras la formación del sistema Tierra-Luna (hace unos 4.000 millones de años), nuestro satélite giraba mucho más rápidamente de como lo hace hoy. La Luna seguramente no era perfectamente esférica, sino algo más alargada en una dirección. Las fuerzas de marea sobre ella acentuaron este alargamiento contribuyendo a que la Luna (entonces más caliente y "blanda") se estirase progresivamente. Una vez enfriada, el sistema Tierra-Luna evolucionó hacia la configuración de mínima energía, propiciando la sincronización de la rotación de nuestro satélite con su movimiento orbital hace unos mil millones de años.

¿Por qué vemos siempre esta cara de la Luna? 

 El hecho de que la rotación síncrona pueda ser el estado de mínima energía de un sistema planeta-satélite, no implica necesariamente que los parámetros de la órbita del segundo sean estables.

De hecho, en el sistema Tierra-Luna, la acción de las fuerzas de marea oceánicas sobre la Tierra están modificando el periodo de rotación de la Tierra y la órbita de la Luna. Como la Tierra también rota alrededor de un eje propio y su periodo de rotación es mayor que el periodo orbital de la Luna, la masa de agua que se abulta en la Tierra se ve arrastrada por esta rotación terrestre y se adelanta a la posición de la Luna (dibujo adjunto). Ello provoca una atracción gravitatoria extra en la dirección perpendicular a dicho eje, que empuja hacia atrás al abultamiento. El par de fuerzas entre la Tierra y la Luna está decelerando la rotación de la Tierra y acelerando a nuestro satélite en su órbita. De acuerdo con la tercera ley de Kepler, esto implica que el radio orbital de nuestro satélite también está aumentando gradualmente. Como consecuencia de ello, los días se van alargando progresivamente, aproximadamente 1.4 milisegundos por siglo (el valor parece insignificante, pero implica que en los últimos 1500 años la diferencia de tiempo acumulado es de unas dos horas) y la órbita de la Luna se está alejando (el radio orbital aumenta aproximadamente 3.8 metros por siglo), lo que finalmente conducirá a la desaparición de los eclipses solares totales.

Calentamiento por marea

Las fuerzas de marea pueden calentar internamente cuerpos celestes, como planetas y satélites. Así, por ejemplo, en el Sistema Solar, se calcula que la cantidad de energía mecánica que se transforma en calor a causa de la fricción por mareas, representa el 0.85% de su energía actual.

El caso más notable de calentamiento por marea es el del satélite más interno de Júpiter, Io. Io es el cuerpo conocido más volcánico de todo el Universo, posee abundantes cráteres y en su interior se alcanzan temperaturas del orden de 2000K. Las variaciones en la fuerza de atracción de Júpiter, debidas a la excentricidad de la órbita de Io, alteran significativamente su abultamiento por marea (hasta 100m de diferencia de altura), lo que, junto con la rotación de Io sobre su propio eje, genera intensas fricciones en su interior, que está parcialmente fundido. Todo ello contribuye a  que Io tenga una actividad volcánica muy intensa,  que produce ríos de lava, pozos volcánicos, y plumas de azufre y dióxido de azufre, que son lanzadas a cientos de kilómetros de altura. Se ha predicho la existencia de más de 400 volcanes en este satélite de Júpiter, de los cuales ya se han observado más de 150 activos en las misiones espaciales de los programas Voyager, Galileo, Cassini y New Horizons, además de en distintos observatorios astronómicos terrestres.

Otro caso interesante es el de Encélado, una pequeña luna de Saturno, descubierta en 1789 por Herschel (1728-1832). Encélado saltó a la actualidad en 2006 cuando la sonda Cassini detectó unos espectaculares géiseres emergiendo de su superficie. Estudios posteriores sugirieron que los géiseres podrían emerger de océanos líquidos, posiblemente efervescentes, escondidos bajo una corteza de unos 40 kilómetros de espesor. Nuevos datos, recopilados en 2014 por la sonda Cassini, han confirmado la existencia de este mar subterráneo.

La explicación más plausible acerca del mecanismo físico capaz de calentar así el subsuelo de Éncélado, procede de las enormes fuerzas de marea ejercidas por Saturno sobre esta luna. Como consecuencia, el subsuelo de Encélado reúne tres ingredientes que son indispensables para que pueda surgir la vida: agua líquida, compuestos orgánicos y una fuente de energía (el volcanismo). De hecho, en algunas regiones del planeta Tierra sometidas a condiciones similares, hay organismos que sobreviven sin mayores problemas.

Hace tan solo unos años, Encélado era una luna desprovista de interés. Hoy es uno de los candidatos prioritarios para la búsqueda de vida extraterrestre.