Caronte es un cuerpo de tamaño mediano, de aproximadamente 1207 kilómetros (750 millas) de ancho, ubicado en el Cinturón de Kuiper, un anillo de escombros helados, cometas y planetas enanos, también llamados objetos transneptunianos (TNO), en el límite del sistema solar. A diferencia de muchos objetos más grandes del Cinturón de Kuiper, la superficie de Caronte no está cubierta de hielos volátiles como el metano, lo que permite a los científicos obtener información valiosa sobre la influencia de la luz solar en la formación de cráteres en estos cuerpos distantes. Además, Caronte es el único TNO de tamaño mediano del que se dispone de cartografía geológica. Esto fue posible gracias a los datos recopilados por la sonda espacial New Horizons de la NASA, que visitó el sistema de Plutón hace aproximadamente una década.
Nuevos modelos sugieren que la congelación del océano interno de Caronte podría haber formado depresiones profundas y alargadas a lo largo de su sección media, pero esto podría indicar que la capa exterior fue más delgada en algún momento de la historia de la luna de lo que se predice actualmente. Los modelos también sugieren que es menos probable que se produzcan criovolcanes en erupción con hielo, agua y otros materiales en el hemisferio norte de Caronte.
Las características geológicas heladas de Caronte sorprendieron a los científicos cuando la sonda New Horizons de la NASA visitó el sistema Plutón-Caronte en 2015. Anteriormente, se creía que Caronte era una bola de hielo inerte. Desde entonces, un equipo científico dirigido por investigadores del Instituto de Investigación del Suroeste (SwRI) ha estado estudiando datos de New Horizons para intentar comprender la causa de estas características geológicas heladas.
Alyssa Roden, miembro del equipo e investigadora de SwRI, es una experta en la geofísica de lunas heladas, particularmente aquellas con sus propios océanos.
Imagen de Caronte con marcadores que indican grietas en su superficie que podrían deberse a un océano interno congelado. NASA/Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins/Suroeste
«Una combinación de interpretaciones geológicas y modelos de evolución termoorbital sugiere que Caronte alguna vez tuvo un océano líquido bajo su superficie, que posteriormente se congeló», explicó. «Cuando un océano interno se congela, se expande, creando tensiones significativas dentro de su capa helada y aumentando la presión sobre el agua subyacente. Nuestra hipótesis es que esto es lo que causó la formación de grandes cañones y flujos criovolcánicos en Caronte». La investigación del equipo se publicará en la revista Icarus en 2023.
Roden modeló la formación de grietas en la capa helada de Caronte a medida que el océano que se encuentra debajo se congela para comprender mejor la evolución de la superficie y el interior de la luna. Los océanos incluidos en los modelos estaban compuestos de agua, amoníaco y una mezcla de ambos. Si bien el amoníaco puede actuar como anticongelante y las altas concentraciones pueden contribuir a la persistencia de océanos líquidos, Roden descubrió que las diferencias en la composición oceánica no afectaban significativamente los resultados.
Cuando el océano helado presionó la capa exterior de Caronte, se formaron grietas que la recorrieron por completo. A medida que aumentaba el volumen del océano, la presión sobre el líquido suprayacente se hizo más fuerte, provocando su erupción a través de las grietas hacia la superficie de Caronte.
Un equipo de científicos buscó las condiciones bajo las cuales las grietas podrían haber penetrado completamente la capa de hielo de Caronte, conectando las aguas superficiales y subterráneas y facilitando el criovulcanismo de origen oceánico. Esto reveló que las teorías actuales sobre la evolución de la luna de Plutón podrían ser incorrectas. Estas teorías sugieren que las capas de hielo de Caronte eran demasiado gruesas como para fracturarse completamente por las tensiones asociadas con la congelación del océano.
Imagen del planeta enano Plutón (izquierda) y su luna más grande, Caronte. Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images
O bien la capa de hielo de Caronte tenía menos de 10 km de espesor cuando se formaron los flujos, en lugar de los más de 100 km que se suponía anteriormente, o bien la superficie no estaba conectada directamente con el océano durante la erupción. Si la capa de hielo de Caronte fuera lo suficientemente delgada como para fracturarse por completo, esto implicaría una congelación del océano significativamente más severa que la que indican los cañones encontrados en el hemisferio de Caronte.
Estos cañones discurren a lo largo de un cinturón de dorsales tectónicas global que atraviesa la superficie de Caronte, dividiendo las regiones geológicas norte y sur de la luna de Plutón. El modelo desarrollado por los científicos sugiere que los cañones podrían haberse formado en grietas de la capa de hielo que no llegan al océano, lo que significa que se formaron tras fracturas causadas por el criovulcanismo y el engrosamiento de la capa de Caronte.
La idea de que el criovulcanismo de Caronte se debe a un océano congelado podría confirmarse si una futura misión descubre características adicionales, más grandes y extendidas en el hemisferio lunar. Estas características, no detectadas por New Horizons, respaldan la hipótesis de que el océano de Caronte era más denso de lo esperado y su corteza más delgada.
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La congelación de los océanos también predice una secuencia de actividad geológica en la que el criovulcanismo impulsado por el océano cesa antes de que se establezca el tectonismo impulsado por la deformación. Un análisis más detallado del registro geológico de Caronte puede ayudar a determinar si este escenario es realista.
Utilizando el telescopio espacial James Webb (JWST), los astrónomos detectaron dióxido de carbono y peróxido de hidrógeno en la superficie congelada de Caronte, la luna más grande de Plutón, en 2024. Detectar estas moléculas podría ayudar a los científicos a comprender cómo se formaron Caronte y otros cuerpos helados en las afueras del sistema solar.
Caronte ha sido ampliamente estudiado desde su descubrimiento en 1978, pero los estudios previos presentaban limitaciones en las longitudes de onda de luz que podían detectar. Esto dejó lagunas en nuestra comprensión de la composición superficial de la luna de Plutón. Si bien los científicos han encontrado hielo de agua, compuestos de amoníaco y compuestos orgánicos en Caronte, no se han detectado dióxido de carbono ni peróxido de hidrógeno. Al menos hasta ahora.
Esta imagen de la superficie agrietada y llena de cráteres de Caronte, la luna de Plutón, tomada por la misión New Horizon en 2015. NASA/JPL-Caltech
Un equipo de científicos, dirigido por Sylvia Protopapa, del Instituto de Investigación del Suroeste (SwRI), completó estas lagunas estudiando Caronte con el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano (NIRSpec) del Telescopio Conjunto Westinghouse (JWST). El estudio se publicó el 1 de octubre de 2024 en la revista Nature Communications.
El estudio muestra que la superficie de Caronte conserva evidencias de su formación, como dióxido de carbono, así como indicios de procesos de irradiación, como lo demuestra la presencia de peróxido de hidrógeno. Estos descubrimientos amplían la composición conocida de Caronte, incluyendo hielo de agua, compuestos de amoníaco y compuestos orgánicos responsables de su color gris rojizo.
En general, estos factores convierten a Caronte en un objeto de estudio invaluable, que revela abundante información útil. Estos descubrimientos proporcionan información valiosa sobre cómo procesos como la radiación solar y la craterización moldean la superficie de Caronte y, por extensión, la de otros cuerpos helados de tamaño mediano más allá de Neptuno.
Un gráfico que muestra la firma luminosa de Caronte, que indica la detección de peróxido de hidrógeno y dióxido de carbono. Silvia Protopapa (SwRI), Yan Wong (STScl)
La composición de estrellas, planetas y lunas puede determinarse por la luz que emiten o reflejan desde sus superficies. Esto es posible porque los elementos absorben y emiten luz en longitudes de onda específicas. Por lo tanto, el estudio de los espectros de los cuerpos celestes mediante un método llamado espectroscopia revela las huellas dactilares de los elementos y compuestos químicos.
Protopapa y sus colegas llegaron a sus conclusiones comparando las observaciones espectroscópicas del JWST con mediciones de laboratorio y modelos espectrales detallados de la superficie de Caronte. Esto les llevó a concluir que el dióxido de carbono está presente predominantemente como una capa superficial en un subsuelo rico en hielo de agua.
La superficie de Caronte, descubierta por la misión New Horizons, se caracteriza por numerosos cráteres rodeados de brillantes capas de eyección ricas en hielo de agua y compuestos de amoníaco. Estas características geológicas indican que los materiales del subsuelo quedaron expuestos por impactos, lo que proporciona información sobre la composición del interior de la luna. El equipo interpreta esto como que la capa superior de dióxido de carbono es de origen interno y fue arrastrada a la superficie por la formación de cráteres. La presencia de dióxido de carbono también era esperada, ya que se sabe que este compuesto está presente en regiones del disco protoplanetario a partir del cual se formó el sistema de Plutón.
Lo que el equipo no esperaba era la detección de peróxido de hidrógeno. La presencia de peróxido de hidrógeno en la superficie de Europa, la luna de Júpiter, se conoce desde la década del 2000. La inesperada presencia de peróxido de hidrógeno en Caronte llevó al equipo a sospechar que la superficie rica en hielo de agua de la luna más grande de Plutón está siendo modificada activamente por la radiación ultravioleta del Sol, partículas del viento solar y corrientes de partículas cargadas procedentes de más allá del sistema solar, llamadas rayos cósmicos galácticos.
La luna Caronte de Plutón, fotografiada por el telescopio New Horizon. NASA/JPL-Caltech
El peróxido de hidrógeno se forma mediante la combinación de radicales de iones hidróxido adyacentes, que se forman cuando las moléculas de agua se dividen por la entrada de iones, electrones o fotones. El equipo realizó nuevas mediciones de laboratorio para confirmar la posibilidad de producir peróxido de hidrógeno incluso en presencia de dióxido de carbono.
El equipo aún no ha completado su estudio de la luna más grande de Plutón. El JWST continuará estudiando Caronte, y los científicos utilizarán los datos obtenidos para comprender mejor los objetos transneptunianos helados en general. Las futuras observaciones del JWST, centradas en las lagunas espectrales no cubiertas por los datos actuales, podrían conducir a nuevos descubrimientos sobre la composición de Caronte y a una mayor expansión de su composición química, posiblemente revelando otros mecanismos implicados.
Un estudio, previsto para finales de 2025, sugiere que hace miles de millones de años, Plutón pudo haber capturado a su luna más grande, Caronte, en un breve y gélido «beso». Esta teoría podría explicar cómo el planeta enano pudo capturar una luna de aproximadamente la mitad de su tamaño.
Un equipo de investigadores cree que dos mundos gélidos ubicados en el Cinturón de Kuiper —un anillo de cuerpos helados situado lejos del Sol en el límite del Sistema Solar— colisionaron hace miles de millones de años. En lugar de aniquilarse, se fusionaron, formando un «muñeco de nieve cósmico» giratorio. Los cuerpos se separaron con relativa rapidez, pero permanecieron unidos orbitalmente, formando el sistema Plutón/Caronte que vemos hoy. El estudio del equipo se publicó el 6 de enero de 2025 en la revista Nature Geoscience.
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Este proceso de «beso y captura» ofrece una nueva teoría sobre la captura lunar y las colisiones cósmicas. También podría ayudar a los científicos a comprender mejor la resistencia estructural de los mundos fríos y gélidos del Cinturón de Kuiper.
Se descubrió que, suponiendo que Plutón y Caronte fueran cuerpos sólidos, Plutón podría efectivamente capturar a Caronte en un gran impacto. Este proceso de captura por colisión se denomina «beso y captura», porque Plutón y Caronte se fusionan brevemente, formando un elemento de «beso», antes de separarse para formar dos cuerpos independientes.
La mayoría de los escenarios de colisión planetaria se clasifican como «choque y fuga» o «toque y fusión», lo que significa que el escenario de «beso y agarre» es algo completamente nuevo.
Esta ilustración muestra a Plutón y su luna más grande, Caronte. NASA/Robert Lea
La razón por la que la relación entre Plutón y Caronte resulta tan desconcertante para los científicos reside en la relativamente pequeña diferencia de tamaño y masa entre estos dos cuerpos helados. Caronte es tan enorme comparado con Plutón que, en realidad, son un planeta doble. Tiene la mitad del tamaño de Plutón y representa el 12 % de su masa, lo que lo hace mucho más similar a la luna de la Tierra que a cualquier otro satélite del sistema solar.
En comparación, nuestra Luna tiene sólo una cuarta parte del tamaño de la Tierra, y la luna más grande del sistema solar, Ganimedes, tiene aproximadamente 1/28 del tamaño de su planeta padre, Júpiter.
Un investigador de la Universidad de Arizona, quien también es becario postdoctoral de la NASA, agregó que capturar una luna tan grande de la forma habitual es difícil. (Se considera que el método habitual es la captura gravitacional de lunas como Fobos y Deimos, las de Marte, así como las de los planetas gigantes Júpiter y Saturno).
Esto significa que la teoría predominante sobre la formación del sistema Plutón-Caronte se basa en la idea de captura por colisión, similar a cómo se cree que un cuerpo masivo se estrelló contra la Tierra, expulsando material que nuestro planeta capturó para formar nuestra Luna.
Esta captura de pantalla muestra el sistema Plutón/Caronte durante su fase de «muñeco de nieve». Robert Melikyan/Adyn Denton
En un evento estándar de «captura por colisión», se produce una colisión violenta que provoca que ambos cuerpos se estiren y deformen como un fluido. Este proceso explica con claridad la formación del sistema Tierra-Luna, ya que el intenso calor liberado durante la colisión y la gran masa de los cuerpos involucrados hacen que actúen como un fluido.
Al considerar la colisión entre Plutón y Caronte, debe tenerse en cuenta otro factor: la resistencia estructural de los cuerpos helados y rocosos más fríos. Este factor ha sido ignorado previamente por los investigadores al considerar el origen colisional de Caronte.
Para tener esto en cuenta en sus simulaciones, el equipo recurrió al clúster de computación de alto rendimiento de la Universidad de Arizona. Cuando Denton y sus colegas consideraron la resistencia de estos materiales en sus simulaciones, descubrieron algo completamente inesperado. Debido a que ambos cuerpos poseen resistencia material, Caronte no penetró lo suficientemente profundo en Plutón como para fusionarse con él; esto no ocurre cuando los cuerpos son líquidos. Bajo las mismas condiciones de impacto, suponiendo que Plutón y Caronte carecen de resistencia, sí se fusionan en un solo cuerpo mayor, siendo Caronte absorbido. Sin embargo, debido a su resistencia, Plutón y Caronte conservan su estructura durante su breve fusión.
Dado que Caronte no pudo sumergirse en Plutón en este escenario, permaneció fuera del llamado «radio de corrotación» de ambos cuerpos. Como resultado, no pudo rotar a la misma velocidad que Plutón, lo que significa que ambos cuerpos no pudieron permanecer fusionados. El equipo plantea la hipótesis de que, tras su separación y el fin de este beso gélido, Plutón giró a Caronte hacia una órbita circular más cercana, más alta y desde la cual la luna se habría alejado.
El «beso» de esta captura, la fusión, dura muy poco desde una perspectiva geológica, de 10 a 15 horas, tras lo cual los dos cuerpos se separan de nuevo. Caronte inicia entonces su lento movimiento hacia su posición actual.
El equipo cree que la colisión inicial ocurrió muy temprano en la historia del Sistema Solar, probablemente decenas de millones de años después de su formación, o miles de millones de años atrás.
Observaciones realizadas con el Telescopio Espacial James Webb (JWST) en 2025 muestran que dos lunas, Nix e Hidra, se asemejan más al interior de Caronte que a otros objetos del Cinturón de Kuiper. Los resultados sugieren que estas lunas de tamaño mediano podrían estar compuestas por fragmentos del interior de Caronte, expulsados durante la violenta colisión que formó a Plutón y Caronte.
Según cálculos previos, Plutón y Caronte se formaron mediante un proceso de «beso y captura». Los progenitores de la pareja tuvieron un encuentro cercano, lo que provocó la separación de las capas externas del proto-Caronte, formando un disco de escombros helados. Estos escombros se fusionaron posteriormente para formar al menos cuatro lunas más pequeñas: Nix, Hidra, Cerbero y Estigia, según esta hipótesis.
El JWST brindó la oportunidad de explorar esta idea. A principios de este año, investigadores utilizaron el telescopio espacial para clasificar los colores de los objetos transneptunianos (TNO), es decir, objetos más allá de la órbita del octavo planeta, en el sistema solar exterior. Sin embargo, el nuevo estudio muestra que Nix e Hidra no encajan en ninguna de estas clasificaciones.
Imagen compuesta de Plutón y Caronte tomada por la sonda New Horizons de la NASA a su paso por el sistema de Plutón. NASA/JHUAPL/SwRI
Según Brian Holler, científico planetario del Instituto de Estudios Espaciales, esta discrepancia se debe principalmente a una sustancia rojiza en la superficie de las lunas, que probablemente contiene carbono. Holler presentó sus nuevos hallazgos en la conferencia «Progresos en la comprensión de Plutón: 10 años después del sobrevuelo», celebrada en julio en Laurel, Maryland.
De hecho, el antiguo interior de Caronte podría estar cayendo sobre su superficie hoy. Cuando Nix e Hidra colisionen con pequeños meteoritos, los restos de sus superficies podrían ser expulsados al espacio debido a su baja masa y baja gravedad. Las partículas expulsadas podrían ser capturadas por la gravedad de Caronte y caer sobre su superficie.
«Podríamos estar estudiando el material original del proto-Caronte», afirmó Holler en su presentación de julio. Los materiales eyectados de Nix e Hidra podrían eventualmente caer a la superficie, formando una capa de polvo de varios centímetros de espesor. Dado que Caronte es un mundo geológicamente muerto, este polvo permanece en la superficie, formando una capa análoga a la corteza y el manto superior que fueron eyectados en la colisión que lo creó.
Cuando la sonda New Horizons de la NASA sobrevoló el sistema de Plutón en 2015, capturó impresionantes vistas de Nix e Hidra. Se obtuvieron datos sobre la composición de ambas lunas. Las imágenes en color mejoradas de Nix revelaron un patrón circular rojizo. Ambas lunas tienen forma irregular.
Las lunas de Plutón a escala. La más grande, Caronte, se muestra en la parte inferior. NASA/JHUAPL
Según Holler, las observaciones del JWST no revelaron necesariamente detalles significativos sobre las lunas. En cambio, brindaron la oportunidad de compararlas directamente con otros objetos transneptunianos. El telescopio espacial se centraba en el estudio de Plutón y Caronte. El descubrimiento de Nix e Hidra fue un acontecimiento completamente fortuito.
Un estudio previo que utilizó el JWST para clasificar objetos transneptunianos llenó la brecha entre las longitudes de onda del espectro visible y el infrarrojo cercano registradas por New Horizons. Esto permitió una comparación directa de las lunas medianas de Plutón con otros objetos del Sistema Solar exterior.
Es probable que Nix e Hydra se mantengan prácticamente sin cambios desde su formación. Son demasiado pequeños como para haber experimentado procesos geológicos activos, por lo que los únicos cambios en sus superficies probablemente se debieron a impactos y meteorización cósmica.
Al estudiar estos sistemas, los investigadores pueden comprender mejor qué sucede dentro de las dos pequeñas lunas. Si otros objetos transneptunianos han sufrido colisiones similares, resultando en la formación de sus propias pequeñas lunas, y se puede estudiar su composición, esto podría arrojar aún más luz sobre estos pequeños pero enigmáticos satélites de Plutón.
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