¿Por qué los planetas son redondos?

Si la Tierra fuera un cubo

Imaginemos otra Tierra: aproximadamente la misma masa, pero con forma de cubo. Para empezar, eliminemos la rotación y los efectos de otros cuerpos. Las esquinas de ese mundo serían salientes enormes por encima de sus regiones intermedias. ¿Podría la roca soportar su peso?

La gravedad es la atracción mutua de todo lo que tiene masa. En un planeta, cada porción de materia atrae a las demás. Cerca de un cuerpo aproximadamente esférico, la atracción resultante apunta más o menos hacia el centro. El centro no es un imán ni una bomba independientes: solo es un punto conveniente para describir el efecto conjunto de toda la masa.

En una montaña corriente, la roca inferior sostiene la superior. Un saliente cuya altura fuera una fracción importante del tamaño del planeta impondría una carga mucho mayor. La roca de debajo podría romperse o deformarse lentamente. La materia sobrante descendería y se extendería hacia otras regiones, reduciendo las enormes diferencias de altura. La materia se redistribuye; las esquinas no se borran en el vacío. Modelo de carga gravitatoria: Lineweaver y Norman, pp. 5–8.

¿Por qué el ideal final es una esfera? En un cuerpo aislado y sin rotación, cuya materia tiene tiempo de redistribuirse y no sostiene grandes irregularidades gracias a su resistencia, no hay un eje especial ni una cara privilegiada. Las capas de equilibrio tienen simetría esférica: en una misma capa no existe una «montaña» desde la que la materia aún pueda fluir hacia abajo. La esfera es un cuerpo tridimensional; el círculo es una sección plana de ella. Pronto devolveremos la rotación a esta imagen.

Redondearse no significa caer sin fin hacia un único punto. En el interior aumenta la presión, la fuerza por unidad de área. Las capas vecinas presionan unas contra otras y pueden sostener el peso de la materia situada encima. Cuando el gradiente de presión equilibra la gravedad, hablamos de equilibrio hidrostático. Es una idealización útil de un cuerpo grande, no una afirmación de que todas sus montañas hayan desaparecido. Cómo la presión equilibra la gravedad.

Por qué una piedra no hace lo mismo

Una piedra tiene gravedad propia, pero es demasiado débil para obligarla a perder sus esquinas. La resistencia es la capacidad de un material para soportar cargas sin romperse ni cambiar de forma de manera irreversible. Los enlaces entre partículas permiten que un fragmento pequeño conserve salientes a pesar de su débil gravedad propia. Eso no significa que en un asteroide la gravedad «aún no se haya encendido».

Por ejemplo, el asteroide Bennu está compuesto de fragmentos débilmente agrupados por su gravedad y tiene una forma parecida a una peonza. Un cuerpo pequeño no tiene por qué ser un único bloque resistente, y tener gravedad no garantiza una esfera. NASA: forma y estructura de Bennu según OSIRIS-REx.

Al aumentar el tamaño de un cuerpo con la misma densidad media, crece su masa y también la carga gravitatoria interna. La densidad indica cuánta masa hay en una unidad de volumen. Por eso resulta más difícil sostener un saliente geométricamente semejante en un cuerpo grande que en uno pequeño: importan tanto la columna más alta de materia como una gravedad propia más intensa.

También cuentan el tiempo y la temperatura. Un sólido no necesita fundirse para cambiar lentamente de forma. El manto terrestre, por ejemplo, es mayoritariamente sólido, pero su roca caliente puede deformarse y fluir muy despacio. Lo que resiste un empujón breve puede ceder ante una carga que actúa durante un tiempo extraordinariamente largo. Estructura y deformación del manto, NPS: movimiento lento bajo las placas rígidas.

Por eso no existe un único diámetro a partir del cual cualquier cuerpo deba volverse redondo. La roca y el hielo tienen propiedades diferentes; también importan la temperatura, la porosidad, la rotación, las colisiones pasadas y el tiempo disponible para deformarse. Una envoltura fría puede conservar irregularidades anteriores. El tamaño por sí solo no permite reconstruir esa historia. Revisión de las propiedades de los mundos helados: secciones 3 y 5.

Casi redondos, pero no esferas perfectas

Devolvamos al planeta su rotación sobre el eje. En el ecuador, el círculo a mitad de camino entre los polos, la materia se mueve a la mayor distancia del eje. Ese movimiento requiere aceleración hacia el eje. En un sistema de referencia que gira con el planeta lo describimos como un efecto centrífugo: reduce la gravedad efectiva sobre todo cerca del ecuador y desaparece en el eje. Un cuerpo que puede reajustarse se ensancha en el ecuador y se achata en los polos. NASA: el abultamiento ecuatorial.

La Tierra es una esfera ligeramente achatada. Su radio ecuatorial es de unos 6378,1 km y el polar de unos 6356,8 km: una diferencia cercana a 21,4 km usando los valores de referencia más precisos. Frente al radio de todo el planeta es poco, por eso el achatamiento cuesta distinguirlo en un dibujo pequeño. NASA: radios de la Tierra.

En Saturno la diferencia es más visible. Su radio ecuatorial es de unos 60 268 km y el polar de unos 54 364 km. La rotación rápida hace pronunciado el achatamiento; el resultado también depende de la distribución interna de masa. Un gigante gaseoso no tiene una superficie sólida como la Tierra: estos radios de referencia corresponden al nivel atmosférico de 1 bar. NASA: parámetros de Saturno, ESA: rotación y forma.

Antes de compararlos, predice qué silueta se apartará más del círculo discontinuo. Cada planeta se ha ajustado por separado a la misma anchura para comparar precisamente sus formas.

Saturno es claramente más bajo que su círculo de referencia; la Tierra casi coincide con el suyo. Una misma anchura en el dibujo no significa un mismo tamaño en el espacio. Y el achatamiento no es una tarea que la gravedad haya dejado a medias: en un cuerpo que rota, la forma de equilibrio no tiene por qué ser esférica.

¿Por qué quedan montañas en la Tierra? Redondearse afecta a la forma global, no implica una superficie perfectamente lisa. La resistencia de la corteza puede sostener salientes relativamente pequeños; además, los procesos geológicos crean nuevo relieve. Las montañas no significan que la gravedad propia haya dejado de determinar la forma del planeta. NPS: formación y transformación de las montañas.

Entonces, ¿por qué la Luna también es redonda?

La gravedad propia no lee etiquetas de catálogos. Actúa en planetas, satélites y planetas enanos. La Luna es casi esférica, pero sigue siendo el satélite natural de la Tierra. Ceres es casi redondo, pero se clasifica como planeta enano.

Según la definición de la Unión Astronómica Internacional de 2006 para el Sistema Solar, la forma es solo uno de los criterios de un planeta. También cuentan su órbita alrededor del Sol y el dominio gravitatorio en su vecindad orbital. Un planeta enano no cumple esta última condición y no es un satélite. Por eso una silueta redonda no basta para establecer la clase de un cuerpo. JPL: definición de la UAI.

Vuelve ahora a la piedra del primer párrafo. Si pudieras hacerla diez veces mayor en todas las direcciones, manteniendo su densidad, ¿tendría que convertirse inmediatamente en esfera? No. Aumentarían su gravedad propia y las cargas, pero sin conocer el tamaño inicial, las propiedades del material y el tiempo para deformarse no basta para concluirlo. Y si un planeta dejara por completo de rotar, ¿desaparecería la causa de su redondez? Tampoco: desaparecería la contribución de la rotación, pero quedaría la gravedad propia.

Los planetas tienen un contorno global redondo porque, a su escala, la gravedad propia puede reorganizar la materia pese a su resistencia. La forma real conserva un registro de su composición e historia y cambia por la rotación. Un siguiente paso útil es volver al mapa del Sistema Solar y explicar por qué entre sus mundos casi redondos hay planetas, satélites y planetas enanos.