Al principio de la historia del sistema solar, un protoplaneta llamado Theia se estrelló contra la Tierra y creó la Luna.
La luna siempre está esperando. Mucho antes de que nuestros ancestros se dieran cuenta de que las “estrellas errantes” eran en realidad planetas que compartían el sistema solar con la Tierra, reconocieron a la Luna como una forma de meteorito para el planeta nuestro. Y uno de los primeros enigmas que inevitablemente surgen es: ¿Cómo se formó la Luna?
Hace cincuenta años, la humanidad logró una de las mayores hazañas de descubrimiento cuando pisamos la Luna. La importancia del programa Apolo ha sido reconocida como un logro político y tecnológico, pero menos apreciada es la fortuna científica que ha llevado casi 900 libras (400 kg) de muestras lunares a los astronautas.Los astronautas del Apolo regresan a la Tierra. Estos ejemplos finalmente ayudan a responder la antigua pregunta de cómo se formó la Luna.
La Piedra Apolo recrea el pasado de la Luna
Nuestro planeta ha borrado en gran medida la memoria de su antiguo pasado gracias a la continua remodelación de su superficie a través de la actividad geológica. Pero la Luna está esencialmente inactiva, por lo que su superficie cargada de cráteres guarda recuerdos de los impactos del sistema solar hace miles de millones de años. Por lo tanto, la Luna es una ventana a la historia temprana de nuestro planeta.
El objetivo principal del programa Apolo era distinguir entre las principales teorías de la época sobre cómo se formó la Luna: captura, coformación y fisión. La teoría de la captura sostiene que la Luna gira independientemente de la Tierra, solo para ser capturada por nuestro planeta más tarde en un sobrevuelo casi aleatorio. La teoría de la co-creación, sin embargo, estimuló a la Luna a evolucionar junto con la Tierra, y la pareja se acumuló a partir de una fuente material similar. Se propone un tercer modelo, la fisión, según el cual la Tierra gira tan rápidamente que se vuelve inestable, liberando una capa flotante que desprende material de su ecuador, que eventualmente formaría una Eco-Luna.
Con la ayuda del espécimen lunar y el archivo de datos de Apolo, los investigadores conocieron nuevas y tentadoras pistas y restricciones para estos tres modelos. Por ejemplo, medir las edades de las muestras más antiguas de Apolo sugiere que la Luna debe haberlo hecho hace 4.500 millones de años, solo 60.000 millones de años después de que dejaran de existir las primeras partículas en nuestro sistema solar. Esto significa que la Luna aparecerá en la misma época que vio inicialmente el nacimiento de los planetas.
Antes de registrar las medidas del tamaño y el radio de la Luna, los investigadores también sabían que su densidad era inusualmente baja, lo que sugería que tenía deficiencia de hierro. Mientras que alrededor del 30% de la masa de la Tierra está atrapada en su núcleo rico en hierro, el núcleo de la Luna representa solo un pequeño porcentaje de su masa total. A pesar de esta diferencia dramática en el hierro, las muestras posteriores de Apolo encontraron que las rocas del estrato córneo en la Luna y la Tierra tenían concentraciones de oxígeno similares. Y debido a que estas rocas lunares y terrestres son significativamente diferentes de los meteoritos que provienen de Marte o del cinturón de asteroides, sugiere que la Luna y la Tierra comparten una relación pasada común. Además, en comparación con la Tierra, también se descubrió que las rocas de la Luna están más desprovistas de elementos volátiles, sustancias que se evaporan fácilmente cuando se calientan, un indicio de que la Luna se formó a altas temperaturas. .
Finalmente, los investigadores saben que las interacciones de las mareas han obligado a la Luna a girar en espiral hacia afuera de la Tierra, lo que hace que la Tierra gire más lentamente. Esto significa que la Luna está más cerca de la Tierra por primera vez de lo que está ahora. Las mediciones precisas de la posición de la Luna utilizando reflectores de superficie colocados durante el programa Apolo lo confirmaron más tarde, demostrando que la órbita de la Luna se expande una pulgada cada año.
La hipótesis del impacto gigante
No es inusual en la ciencia que los nuevos datos de Apollo, originalmente destinados a probar las teorías existentes, hayan inspirado una nueva. En la década de 1970, los investigadores propusieron la hipótesis del impacto gigante. El nuevo escenario de impacto sugiere que al final de su formación, la Tierra chocó con otro objeto del tamaño de un planeta. Esto crea una gran cantidad de desechos en la órbita de la Tierra, que a su vez se acumulan en la Luna. El planeta en acción fue posteriormente llamado “Theia”, en honor a la diosa griega, la otra de la Luna.
Se dice que la nueva teoría reconcilia muchas opiniones. Si el material que compone la Luna se originara en las capas exteriores de la Tierra y Theia, y no de sus núcleos, surgiría naturalmente una Luna pobre en hierro. Una colisión masiva que golpea la Tierra al azar también podría explicar la rápida rotación inicial de la Tierra. En última instancia, la enorme energía de impacto asociada con tal impacto habría vaporizado una parte significativa del material expulsado, lo que explica la falta de materia volátil de la Luna.
Reaccionando a una violenta historia sobre el origen de la luna
Inicialmente, la comunidad científica se mostró escéptica ante este nuevo modelo. La hipótesis del impacto ha sido criticada como una solución “especial” que es controvertida y puede representar un efecto extremadamente improbable.
Pero al mismo tiempo, trabajar en otros modelos de la competencia ha sido cada vez más insatisfactorio. La disipación de energía requerida para capturar una Luna intacta durante un paso cercano es visible, si no imposible. Los modelos de la cooperación de la Luna con la Tierra han intentado explicar por qué la Luna tiene una proporción de hierro tan sorprendentemente diferente. Además, la inercia angular actual del sistema Tierra-Luna es demasiado baja para explicar que una Tierra en rotación inestable arrojara suficiente material para formar la Luna. Aunque los investigadores hicieron un pequeño trabajo cuantitativo al principio sobre el modelo de efectos gigantes, finalmente surgió como la idea más rentable durante una conferencia en la década de 1980 sobre el origen lunar, en gran parte debido a las debilidades de las teorías en competencia.
Pero, ¿podría un impacto gigante realmente crear la Luna? La respuesta a esta pregunta no es tan difícil. A partir de la física básica, los científicos saben que las partículas de materia lanzadas desde un planeta esférico escapan por completo o vuelven a caer sobre la superficie del planeta. Entró en una órbita estable alrededor del planeta. Sin embargo, un impacto lo suficientemente grande, un objeto del tamaño del planeta mismo, distorsiona la forma del planeta, cambiando sus interacciones gravitatorias con la materia expulsada.
Alternativamente, los materiales parcialmente ventilados pueden acelerarse a medida que escapa el gas, cambiando la trayectoria del material. Sin embargo, evaluar el impacto de tales efectos requiere una nueva generación de simulaciones por computadora a una escala nunca antes vista. Con la tecnología avanzada de la época, tales simulaciones eran extremadamente desafiantes para las computadoras colaborativas, pero fue difícil para los investigadores demostrar que las colisiones gigantes podían producir objetos que volaban. Orbiter podría estrellarse contra la Luna.
Un diagrama simple que muestra cómo el impacto de Theia eventualmente creó la Luna. Citronade/Wikimedia Commons
Pero gracias a importantes mejoras computacionales, a principios de la década de 2000, los investigadores identificaron lo que luego se llamaría la teoría del impacto “canónico”: una colisión de baja velocidad en un ángulo de 45 grados por Theia, similar a la de Marte. Tal explosión crea un disco masivo de material que agota suficiente hierro para alimentar la Luna y conducir a un día cronometrado en la Tierra. Pero después de miles de millones de años, las interacciones de las mareas cambian la inercia angular hacia la Luna, empujando a la Luna hacia afuera mientras ralentiza la rotación de la Tierra. Esto encaja muy bien con la fecha actual de 24 horas de la Tierra, así como con la distancia orbital actual de la Luna.
pregunta larga
Si la Luna fuera como otros cuerpos astronómicos, para los que generalmente solo registramos explicaciones, entonces en este punto podríamos haber publicado la historia del origen de la Luna. En este caso, sin embargo, tenemos muestras de material de la Luna y la Tierra que podemos comparar. Explicar las relaciones químicas de esas muestras se ha convertido en el mayor desafío para la Hipótesis del Impacto Gigante, que ha inspirado una serie de investigaciones durante la última década sobre cómo afecta exactamente la Luna.
El enigma es este: en la mayoría de los impactos gigantes que forman discos como los descritos anteriormente, el material principalmente de las partes externas de Theia es expulsado a la órbita de la Tierra. Pero no podemos saber con certeza dónde estaba Theia cuando golpeó la Tierra. Si Theia, como Marte o los asteroides del cinturón principal, estuviera compuesto de materia distinta a la de la Tierra, entonces un disco protolunar que rodeara a Theia daría como resultado una Luna con una posición coaxial diferente a la de nuestro planeta.
En cambio, los datos derivados de las muestras lunares del Apolo muestran cada vez más que la Tierra y la Luna son casi indistinguibles químicamente, no solo por el oxígeno sino por cualquier otro elemento. Resolver esta “crisis de isótopos” requiere explicar cómo la colisión de dos planetas formados de forma independiente, cada uno con su propia historia distinta y ubicación común, puede crear dos generaciones indistinguibles.
Una explicación potencial y posible es que Theia creó una posición similar a la de la Tierra, presumiblemente porque ambos cuerpos celestes están a una distancia similar del Sol por materia compartida. De hecho, hay evidencia de que los agentes que constituyen el 40% de la masa final de la Tierra son bastante similares a la Tierra. Sin embargo, nuevos análisis de muestras lunares resaltan un factor de similitud entre la Tierra y la Luna que no cuadra del todo y que involucra al elemento tungsteno.
El tungsteno es particularmente útil para comprender los orígenes de los planetas por dos razones: tiende a incorporarse al núcleo metálico de un planeta como lo es para él, y se creó una llamarada (o isótopo) de tungsteno a partir de la desintegración radiactiva del elemento hafnio, que precedió sólo a los primeros 60 millones de años de la historia del sistema solar.
A diferencia del tungsteno, el hafinio no tiende a integrarse en el núcleo de un planeta, sino que reside en su corteza. Por lo tanto, si el núcleo de un planeta existió durante los primeros 60 millones de años, lo que probablemente sea cierto tanto para Theia como para la Tierra primitiva, un exceso de un tipo particular de tungsteno en su manto sería extremadamente sensible a la influencia de la formación de su núcleo. En otras palabras, si Theia tiene diecinueve elementos similares a la Tierra, como el oxígeno, y la razón es acercarse a la Tierra, se necesitaría una coincidencia adicional para crear el enlace de tungsteno Tierra-Luna necesario. Las estimaciones actuales sugieren que tal coincidencia sería muy rentable.
Un concepto alternativo es que el impacto gigante creó un disco que inicialmente era químicamente diferente de la Tierra, pero que eventualmente partes de la Tierra se evaporaron para mezclar el vapor de agua en el disco, equilibrando el sabor de su mente. En este modelo “equilibrado”, la combinación de materiales esencialmente borró la firma química de Theia en el disco direccional de la Luna.
El equilibrio es un proceso fascinante porque podría explicar por qué la Tierra y la Luna exhiben similitudes entre todos los componentes, incluido el tungsteno. Sin embargo, tal mezcla debe ocurrir rápidamente, ya que es probable que la Luna solo haya tardado unos pocos cientos de años en estar presente en el disco. Sigue siendo incierto si una mezcla de colores tan efectiva ocurre en un período de tiempo tan corto.
Variaciones de la Hipótesis del Impacto Gigante
En 2012, los investigadores marcaron un punto de inflexión clave que mostró que ciertas interacciones gravitacionales especiales con el Sol pueden hacer que la Tierra disminuya su velocidad en un factor de dos o más de la Tierra en su órbita alrededor del Sol. Y si esto es posible, significa que la tasa de rotación de la Tierra inmediatamente después de la predicción de la Luna podría ser muchas veces más rápida de lo que se suponía anteriormente, girando una vez cada 2 horas en lugar de 5 horas, mostrando una colisión más fuerte con Theia.
Los investigadores propusieron una gama de efectos de “par de torsión de alto ángulo” que podrían producir Tierras que giran tan rápidamente, incluidos los que resultan en un disco y un planeta con componentes estructurales, una composición aproximadamente igual de Theia y la materia de espuma de la Tierra primitiva. Sin embargo, la desaceleración exacta necesaria para dar cuenta de un impacto más grande y de mayor energía requeriría un rango estrecho de parámetros para permanecer incierto, lo que hace que la probabilidad final del escenario sea muy poco clara.
Pero, ¿y si la Luna fuera el producto de muchos tratados, en lugar de uno solo? Los modelos alternativos recientes consideran que la Luna hace docenas de colisiones más grandes con la Tierra, en lugar de una sola colisión gigante. En este escenario, un impacto relativamente preciso crearía un rastro lunar con una órbita en espiral hacia afuera. Un impacto posterior crea otra luna, cuya expansión orbital podría hacer que se fusione con la luna exterior anterior. Es más probable que una Luna de tamaño completo creada por cualquier agente más pequeño con un rango de ubicaciones simultáneas termine en una posición similar a la de la Tierra que una Luna generada por un solo efecto. El problema de esta teoría, sin embargo, es que no necesariamente se forman los asteroides que producen diferentes colisiones. En cambio, es más probable que tales satélites sean expulsados de la órbita o eventualmente colisionen con la Tierra.
Una pregunta final es si las simulaciones de interacción lunar consideran todos los aspectos importantes de una colisión con la Luna. Los estudios anteriores a menudo encontraron resultados similares cuando se aplicaron diferentes enfoques de co-computación. Sin embargo, un nuevo artículo sugiere que si el manto de la Tierra se estaba calentando en el momento del impacto masivo, debido al calentamiento de un impacto anterior, se habría calentado más de lo previsto anteriormente, lo que daría como resultado un disco más parecido a la Tierra, incluso para un escenario de gran impacto.
¿A dónde vamos desde aquí?
Por lo tanto, encontramos patrones de origen lunar en varias categorías. Por un lado, se ha explicado cualquier aspecto que alguna vez fue incierto de la Hipótesis del Impacto Gigante. Los modelos actuales de desarrollo planetario predicen que se produjeron impactos colosales simultáneamente en el sistema solar interior a medida que evolucionaba la Tierra. Miles de simulaciones cada vez más sofisticadas han demostrado que cualquier impacto colosal (si no la mayoría) crearía discos y lunas. La luna es tan deficiente en hierro que es difícil de explicar en modelos de la competencia como el disparo intacto, que es el resultado natural de un gran impacto. Esto se debe a que el material que se fusionó en la Luna cubre las capas externas de los objetos en colisión, no sus núcleos ricos en hierro.
Sin embargo, la interpretación de otras características todavía plantea un desafío difícil. En particular, es difícil explicar la creciente lista de similitudes elementales entre la Tierra y la Luna, así como los patrones lunares que se han revelado. Se cree que la colisión de los dos planetas dejará rastros de sus diferencias de coposición, sin embargo, al menos según los datos actuales, tales diferencias no son obvias.
Los investigadores propusieron “cualquier explicación nueva e innovadora de cómo un impacto (o impacto) podría producir una Luna que es químicamente muy similar a la Tierra”. Sin embargo, las nuevas ideas plantean limitaciones adicionales, por ejemplo, que Theia debe haber tenido concentraciones y explosiones similares tanto de oxígeno como de tungsteno, o que la inercia angular del sistema Tierra-Luna ha cambiado significativamente con respecto a su valor original. Como resultado, la teoría del impacto todavía lucha con la pregunta que enfrentó hace casi medio siglo: ¿Es probable tal impacto, o requiere que la Luna sea el producto de un impacto anormal?
Progresar depende del fracaso en los frentes navales. No está claro que los modelos actuales puedan explicar todas las características conocidas de la Luna, incluido su contenido de materia volátil y la inclinación de su órbita en relación con el plano del sistema solar. Los investigadores deberán usar modelos de próxima generación para vincular escenarios de origen identificados para predecir las propiedades de la Luna, que luego se probarán comparándolos con otros servicios.
Afortunadamente, la NASA y otros países están planeando desarrollar misiones lunares con la esperanza de traer nuevas limitaciones importantes. Por ejemplo, las nuevas muestras lunares pronto volverán a implementar por completo la colocación de la Luna en profundidad, o he proporcionado mediciones de la actividad sísmica y el flujo de calor de la Luna que limitarán la posición interna y el estado térmico inicial de la Luna.
Finalmente, continuaremos buscando respuestas sobre cómo se formó nuestra Luna, no solo para que podamos entender la historia de nuestro mundo natal, sino también, en general, para que podamos arrojar luz sobre lo que nuestro vecino cósmico más cercano puede decirnos sobre el proceso y evolución de los planetas interiores, tanto en nuestro propio sistema solar como más allá.
