Dos cosas distintas: cuerpos sólidos y sistemas orbitales
De entrada, la pregunta junta cosas distintas, y conviene separarlas:
- La forma de un cuerpo (un planeta, la Luna): la decide su propia gravedad y su rotación.
- La forma de un sistema de muchos cuerpos en órbita (Sistema Solar, anillos, galaxia): la decide si el sistema puede disipar energía.
Sobre los agujeros negros: primero, cuerpos más "newtonianos" 🕳️; los agujeros negros quedan para el final de esta respuesta.
Regla general (algo generalista, con excepciones):
- Con interacción "viscosa" (fuerzas no conservativas que disipan energía): el sistema tiende a un plano. Es el caso de los anillos de Saturno.
- Sin más interacción que la gravitatoria (fuerza conservativa: la energía ni se disipa ni se transforma, y las ecuaciones son reversibles en el tiempo): el sistema no se aplana y tiende a una forma esferoidal. Es el caso de las galaxias que ya no tienen gas.
La gravedad, fuerza centrípeta, y por qué los cuerpos masivos son esferas
La gravedad domina en los cuerpos masivos: estrellas, planetas, incluso asteroides grandes. Es una fuerza central, que no tiene direcciones preferentes, y por sí sola lleva a una esfera. Eso ocurre a partir de unos cientos de km de diámetro, según composición y temperatura (aprox~); por debajo, los cuerpos conservan formas irregulares.
¿Y los achatados? Se ven modificados por la rotación, y el abultamiento es mucho más marcado en el ecuador (la Tierra, aprox~ 1/298; Saturno, mucho más).
Fuerza centrípeta: sin dirección privilegiada, pero con momento angular
La gravedad actúa como fuerza centrípeta: tira hacia el centro igual en todas direcciones, y por sí sola no elige ningún plano. Lo que lo elige es el
momento angular: cada cuerpo que orbita lo tiene perpendicular a su órbita, y por eso
cada órbita es plana. Si la nube de partida no gira en conjunto, esos ejes apuntan al azar y queda un conjunto esférico; si gira, los ejes coinciden en promedio y, con colisiones que eliminan los movimientos sobrantes, todo se reparte en el plano perpendicular al eje común. Una órbita circular es el equilibrio entre la gravedad y la inercia del cuerpo, v² / r = GM / r², y existe en el plano de giro, no a lo largo del eje.
Escala del Sistema Solar
Planitud del Sistema Solar
| Cuerpo | Inclinación
con eclíptica |
| Mercurio | 7,0° |
| Venus | 3,4° |
| Marte | 1,9° |
| Júpiter | 1,3° |
| Saturno | 2,5° |
| Urano | 0,8° |
| Neptuno | 1,8° |
| Plutón | 17,2° |
El Sistema Solar es notablemente plano: las órbitas de los planetas tienen una inclinación pequeña respecto a la eclíptica, y siguen trayectorias elípticas que se parecen a círculos. Los asteroides orbitan en un plano casi idéntico.
Atención: estas inclinaciones dependen del plano de referencia, el
plano de la eclíptica, que es el plano en el que la Tierra gira alrededor del Sol (y la proyección aparente del camino del Sol sobre las estrellas). No son medidas absolutas. Un plano de referencia más fundamental es el
plano invariable, perpendicular al momento angular total del sistema, que está dominado por Júpiter y Saturno; el Sol, con casi toda la masa, aporta solo una fracción pequeña (≲ 2 %, aprox~).
Datos de satélites del Sistema SolarColapso de la nebulosa: de la nube al disco
Una nube de gas y polvo que colapsa nunca tiene momento angular exactamente cero. Al contraerse gira más deprisa, y aparece una asimetría clave:
- A lo largo del eje de giro nada frena la caída: el material cae libremente.
- En el plano perpendicular la inercia de giro frena la caída. Existe un "radio centrífugo" donde el material ya no puede acercarse más sin perder momento angular, y se acumula ahí.
- Las colisiones entre partículas con movimientos distintos cancelan las componentes que no coinciden con el giro neto. El gas radía la energía que pierde, pero el momento angular total se conserva.
Así se forma un
disco protoplanetario. En esa fase, la fricción con el gas y las colisiones entre planetesimales hicieron perder energía a las órbitas, que se circularizaron y se alinearon con el plano, a lo largo de decenas de millones de años. Es una tendencia con excepciones, con toda clase de individualidades: los discos reales tienen un grosor pequeño pero no nulo (aprox~ 3-10 % del radio).
Energía mínima con momento angular fijo
La intuición "el sistema minimiza su energía" es correcta con una condición:
hay que poder perder energía y el momento angular no puede cambiar. Entonces ocurre en dos fases:
- Aplanado (rápido): las colisiones amortiguan los movimientos verticales y los no circulares. Quedan órbitas circulares coplanares, el estado de menor energía para el momento angular que hay.
- Redistribución (lenta): dentro del disco, la viscosidad hace que casi toda la masa caiga hacia el centro y una pequeña parte se desplace hacia fuera llevándose el momento angular. Así crece la estrella central y el disco se extiende.
Sin disipación no hay descenso de energía, y el sistema se queda como esté.
El chorro polar: cómo se frena el disco
Queda un problema: para que el material llegue a la estrella tiene que perder momento angular. Las estrellas jóvenes emiten
chorros bipolares a lo largo del eje de giro, perpendiculares al disco; sus nudos brillantes son los objetos de
Herbig-Haro. La explicación aceptada es que estos flujos, canalizados por campos magnéticos, se llevan una parte importante del momento angular y permiten que la materia siga cayendo. El mecanismo concreto de lanzamiento sigue en discusión: hay varios modelos, con el viento magnético del disco como candidato principal.
Anillos de Saturno
Cientos de miles de km de ancho y decenas de metros de grosor o menos (aprox~): las colisiones entre partículas amortiguan la agitación vertical. Los anillos aparecen también en un plano similar al del Sistema Solar, aunque su formación se atribuye a un periodo distinto y su edad es objeto de debate.
Cinturón de asteroides, cinturón de Kuiper y Nube de Oort
Como veis, plano o no plano es una modelización, además con toda clase de individualidades posibles. Los dos primeros cinturones siguen una distribución aplanada, un toroide o donut achatado. Con la Nube de Oort cambia: es el reservorio esférico de los cometas de largo periodo. Una imagen vale más que cien palabras:
Detalle del cinturón de Kuiper:
Esquema con el cinturón de asteroides principal, el cinturón de Kuiper y, por último, la Nube de Oort:
Colas de cometas
Una curiosidad geométrica: los cometas pueden desarrollar enormes colas de polvo cuya distribución se extiende preferentemente siguiendo su propio plano orbital. Visto en conjunto, este material puede formar una
estructura extraordinariamente extensa y aplanada, casi como un disco o una lámina, cuyo plano puede estar muy inclinado respecto a la eclíptica terrestre.
En cambio, la
coma, la envoltura de gas y polvo que rodea al núcleo, presenta una apariencia aproximadamente esférica debido a su expansión en el espacio.
La perspectiva también puede ofrecernos una curiosidad: cuando observamos de canto la distribución de polvo, puede aparecer una
anticola, que parece apuntar hacia el Sol, aunque es solamente un efecto de proyección.
Galaxias: espirales planas y elípticas en 3D
Las galaxias no son planas del todo: según el tipo tienen un grosor mayor o menor, un bulbo hacia el centro y frecuentes interacciones entre ellas. Además, las galaxias elípticas son casi esféricas, igual que los cúmulos globulares. Como las estrellas casi no colisionan entre sí,
no se aplanan por sí solas; lo que marca la forma es lo que ocurrió con el gas:
- Espirales: el gas pudo disipar energía y asentarse en un disco, y las estrellas nacieron ya en él. La dispersión vertical del disco estelar delgado es de pocas decenas de km/s frente a unos 200 km/s de rotación (aprox~).
- Elípticas: tienen poco gas y su forma la sostiene la dispersión de velocidades (movimientos al azar), no la rotación. Se explican en buena parte por fusiones de galaxias, que redistribuyen las órbitas estelares sin disipación y dan un sistema 3D, a menudo triaxial.
- La Vía Láctea tiene ambos regímenes: disco delgado (disipativo) y bulbo/halo (3D). Es el mismo contraste que el disco planetario frente a la Nube de Oort.
Una elíptica no es "el mínimo de energía" de nada: es un equilibrio sin colisiones, otro tipo de estado.
¿La galaxia Messier 106 parece una espiral plana?
Pues vista con el Spitzer, sumando imágenes, se ven unas grandes estructuras más complejas:
Agujeros negros
No sabemos cómo es un agujero negro por dentro; sí vemos cómo afecta a su entorno. El gas que cae forma un
disco de acreción plano, por el mismo mecanismo que un disco protoplanetario (momento angular + disipación), y con una viscosidad que permite que parte del gas siga cayendo. Cerca del agujero, se cree que los campos magnéticos lanzan parte de ese gas en chorros a lo largo del eje de giro. El horizonte, según la teoría, es casi esférico; lo que se ha fotografiado es su sombra.
Como todo depende del proceso que domina en cada cuerpo, plano o esférico depende de qué magnitud, aunque los hay leves o muy marcados.
FAQ's
- ¿Por qué los planetas son esferas y no discos?
- Porque la gravedad propia domina la forma cuando el cuerpo es lo bastante masivo; el disco es una estructura de muchos cuerpos, no de uno. - ¿Por qué los asteroides pequeños tienen forma de patata?
- Porque su gravedad no basta para vencer la resistencia de su material. La esfera aparece a partir de varios cientos de km de diámetro, según composición (aprox~). En los cuerpos grandes, además, el calor interno (por desintegración radiactiva y colisiones) pudo fundir el interior parcialmente y los materiales más densos se hundieron hacia el centro: es la diferenciación. - ¿Por qué la gravedad, que no tiene una dirección privilegiada, acaba formando discos?
- La gravedad es una fuerza centrípeta: tira hacia el centro igual en todas direcciones, y por sí sola no elige ningún plano. Lo que lo elige es el momento angular, que cada cuerpo que orbita tiene perpendicular a su órbita. En una nube sin giro neto esos ejes apuntan al azar y queda una esfera. Si hay un giro neto, los ejes coinciden en promedio y, con colisiones que eliminan los movimientos sobrantes, todo se acaba repartiendo en el plano perpendicular a ese eje común. - ¿Por qué el Sistema Solar es plano?
- Porque se formó de una nube con momento angular neto que colapsó y disipó energía; el momento angular se conserva. - ¿Por qué algunos cometas vienen de cualquier dirección?
- Porque proceden de un reservorio esférico (Nube de Oort), no del disco. - ¿Por qué las galaxias espirales son planas y las elípticas no?
- Las espirales se formaron con gas que disipó energía; las elípticas, con poco gas, mantienen una forma 3D sostenida por la dispersión de velocidades. - ¿Y un agujero negro, es plano o esférico?
- No podemos ver su "forma" por dentro: lo que sabemos es cómo afecta a su entorno. El gas que cae hacia él, por el momento angular, forma un disco de acreción plano. La viscosidad del disco (rozamiento y turbulencia) reparte el momento angular y permite que parte del gas siga cayendo, mientras se calienta y emite radiación. Cerca del agujero, se cree que los campos magnéticos lanzan parte del gas en chorros polares, a lo largo del eje de giro; ese gas nunca sale del horizonte, se acelera fuera de él. La teoría predice un horizonte casi esférico (algo achatado si gira), pero lo observado es la sombra: el Event Horizon Telescope ha obtenido imágenes de la de M87* y de Sagitario A*. - ¿Es lo mismo que decir que el Universo es plano?
- No. En cosmología, "Universo plano" habla de la geometría del espacio a gran escala (por ejemplo, si los ángulos de un triángulo enorme suman 180°), y las medidas actuales son compatibles con curvatura espacial nula dentro de márgenes pequeños. Se refiere al espacio, no al espacio-tiempo, que sí está curvado por la materia y la expansión. Aquí hablamos de algo distinto: la forma de estructuras concretas, discos frente a esferoides.
Referencias
Pudritz & Ray (2019): The Role of Magnetic Fields in Protostellar Outflows and Star FormationDutta (2025): Jets in Low-Mass ProtostarsCambioni & Malhotra (2018): The mid-plane of the Main Asteroid BeltOtros Temas Relacionados
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