¿Qué es la rotación síncrona y acoplamiento de marea?

Luna y Tierra
Luna y Tierra

La rotación síncrona es un concepto utilizado en astronomía para describir la característica que se produce cuando un cuerpo celeste tiene rotación sobre sí mismo y en órbita alrededor de otro cuerpo celeste, y la velocidad de rotación es la misma que la velocidad de traslación orbital.

La rotación síncrona tiene un efecto muy peculiar: el cuerpo celeste en rotación síncrona mantiene el mismo hemisferio apuntando hacia su compañero alrededor del cuál está orbitando. El ejemplo mejor conocido es sin duda la rotación síncrona de la Luna alrededor de la Tierra.

Acoplamiento de marea en la Luna
Animación que muestra la rotación síncrona de la Luna (izquierda) vs la Luna sin rotación (derecha).

Rotación síncrona y acoplamiento de marea

La rotación síncrona entre dos cuerpos celestes se produce como consecuencia del llamado acoplamiento de marea. Aunque no existan mareas en otros planetas, al menos no mareas oceánicas como las conocemos en la Tierra, la rotación síncrona se da de una forma similar en muchos satélites naturales del Sistema Solar.

Generalmente, los satélites son de tamaño mucho menor que los planetas a los que orbitan y solo los satélites alcanzan la rotación síncrona, pero en teoría, si la diferencia de masa entre los dos cuerpos y la distancia entre ellos es pequeña, ambos deberían alcanzar la rotación síncrona entre sí; esto se puede observar en algunos sistemas de estrellas binarias.

En el caso concreto de la Luna, tanto la rotación sobre su eje como la traslación alrededor de la Tierra tienen una duración de 27.33 días (aunque la duración del ciclo lunar es de 29.53 días). Al tener la misma duración, no importa cuando observemos la Luna, siempre veremos la misma cara.

La otra cara que no vemos, o cara oculta, se observó por primera vez en 1959 en la misión soviética Luna 3 o E-2A (en ruso Луна-3)

Cara oculta de la Luna
Cara oculta de la Luna, con más cráteres por haber estado más expuesta a los meteoritos.

Mecanismo

Consideremos dos objetos que co-orbtinan entre sí, A y B, de forma que A es el cuerpo mayor y genera rotación síncrona en el cuerpo B. Para que esto ocurra, el cuerpo A tiene que modificar la rotación que tendría el cuerpo B en equilibrio gravitacional por sí solo.

Primero, la fuerza de la gravedad de A genera una distorsión en la forma del cuerpo B. El cuerpo B queda alargado en la dirección de la gravedad haciendo que pierda la forma esférica. La deformación crea un gradiente gravitacional, mayor en el eje de deformación. Este efecto puede ser menor o mayor en función de la masa de B y la masa y fuerza de la gravedad de A.

Al comienzo de la formación de ambos cuerpos, el cuerpo B rotaría mucho más rápido sobre sí mismo, y con el paso del tiempo la gravedad de A iría enlenteciendo la velocidad de rotación de B.

El momento angular del conjunto del sistema A-B se mantiene durante el acoplamiento, de modo que la reducción de velocidad de rotación en B está acompañada de un aumento de igual magnitud en la velocidad de traslación hasta que se hacen iguales y un hemisferio de B queda bloqueado mirando hacia A. Se crearía un par motor.

El efecto de la gravedad de B sobre A también iría produciendo el acoplamiento de la rotación y traslación de A, pero como la masa de B es mucho menor, este efecto tardaría muchos años en completarse. De hecho, con el uso de relojes atómicos se ha podido estimar que la Luna reduce la velocidad de rotación de la Tierra 15 microsegundos cada año; cada año que pasa tiene días 15 microsegundos más cortos.

A esta velocidad, el acoplamiento de la Tierra a la Luna no se llegará a completar antes de que se extinga el Sol.