El cuento de la Luna y la Tierra

Título:  Oxygen isotopic evidence for vigorous mixing during the Moon-forming Giant Impact
Autores: Young , E. D. , Kohl, I.E. y de Warren , P. H. et al
Institución del primer autor: UCLA
Estatus: Publicado en Science
Astrobite Original: The Tale of the Moon and the Earth 

Probablemente no te acuestas a dormir cada noche agradeciendo lo suertudo que eres porque la Luna se formó. Sin embargo, algunos científicos han sugerido que sin la Luna, la vida nunca se habría formado. A pesar de que la Luna tiene sólo 1/80 va parte de la masa de la Tierra, juega un papel muy importante en la estabilización del eje de rotación de la Tierra. La inclinación orbital de la Tierra con respecto al plano eclíptico es de 23,5 grados; la conservación del momento dicta que continuará teniendo esa inclinación específica a menos que un torque desequilibrado actúe sobre la misma. El problema es que la Tierra no es una esfera perfecta. Su diámetro es mayor en el ecuador y su masa no se distribuye uniformemente a través de su volumen total. Resulta que, sin la fuerza de gravedad constante de la Luna, la Tierra sufriría cambios en su ángulo de inclinación orbital de hasta 90 grados, lo cual resultaría a grandes variaciones climáticas. Estas variaciones podrían dificultar la formación de la vida.

A pesar del rol fundamental de la Luna en la habitabilidad terrestre, aún no tenemos una idea clara de cómo se formó. La historia canónica indica que los planetas nacieron a partir de un gran disco de polvo y rocas que rodeaban el Sol, llamado el disco proto-planetario. Como una bola de nieve rodando por una colina acomulando masa, los 8 nodos originales eran capaces de acumular suficiente masa para convertirse en planetas. Sin embargo, muchos otros cuerpos, llamados proto-planetas, no fueron capaces de acumular suficiente masa para convertirse en planetas más grandes. Se cree que uno de estos proto-planetas tuvo una colisión masiva con la Tierra unos 10 millones de años después del nacimiento del sistema solar. Después de su colisión, los escombros quedaron atrapados en una órbita gravitacional alrededor de la Tierra, formando la Luna . Este proto-planeta fue nombrado Theia, que significa la madre de la Luna.

Desde hace mucho tiempo se ha identificado un problema con esta hipótesis; para poder crear una luna pobre en hierro y simultáneamente crear la relación orbital que la Tierra y la Luna tienen hoy en día, Theia habría tenido que golpear desde un ángulo. Si ese fuera el caso, entonces la transferencia de material entre Theia y la Tierra sería muy poco. Por lo tanto, la Luna habría terminado con una composición química completamente diferente a la de la Tierra. Estudios previos que comparan la composición de la Tierra con la de la Luna han llegado a resultados contradictorios sobre este asunto. El artículo que discutimos hoy produce su propias medidas de la composición de la Luna y crea un modelo para sustentar sus medidas en un intento de descartar algunas posibilidades en este misterio.

Pero ¿cómo se mide la composición de la Luna?

La frase “composición de la Luna” es, de hecho, un poco confuso. En lugar de hacer un análisis de la composición molecular completa, como sugiere la frase, los autores midieron la concentración relativa de los isótopos de oxígeno. Los isótopos son una variación particular de un elemento químico, el cual contiene el mismo número atómico, pero diferente número de neutrones. Por ejemplo, oxígeno-16 (¹⁶O), tiene 8 protones y 8 neutrones, mientras que el oxígeno-18 (¹⁸O) tiene 8 protones y 10 neutrones. La cantidad relativa de ¹⁸O a ¹⁶O (¹⁸O/¹⁶O ó δ¹⁸O) en agua, rocas, planetas, seres humanos, etc., depende del clima y el medio ambiente. Otra cantidad relativa comúnmente utilizada para medir variaciones en la compasión química de dos cuerpos es la diferencia de ¹⁷O / ¹⁶O en relación con ¹⁸O/¹⁶O, representado por la expresión Δ¹⁷O. Un valor positivo de Δ¹⁷O significa que la muestra está enriquecida en ¹⁷O respecto a la Tierra, mientras que un valor negativo significa que la muestra se agota en ¹⁷O. Por ejemplo, Marte tiene un valor de Δ¹⁷O + 0,3% y está ligeramente enriquecido en ¹⁷O. Los autores utilizan isótopos de oxígeno para determinar si la Tierra y la Luna se formaron del mismo depósito de material.

Resultados y su relevancia para la formación de la Luna

Fig 1. Relación isotópica para cada una de las muestras recogidas en el estudio. La zona gris indica el rango para el que las muestras podrían haber llegado desde el mismo depósito de isótopos de oxígeno. Los puntos de color a medias son las muestras lunares y los puntos claros son las muestras de la Tierra . Debido a que todas las muestras se encuentran en esta región, sabemos que la Luna y la Tierra se formaron a partir del mismo depósito.

Con el fin de obtener una visión completa del valor de Δ¹⁷O en la Luna, los autores analizaron siete muestras de Apolo 12, 15, y 17. También analizaron un meteorito lunar y lo compararon con un conjunto de muestras de rocas ígneas terrestres. La figura 1, presenta todas las muestras en un diagrama. Todos los puntos que se encuentran dentro de la zona gris provienen del mismo depósito de isótopos de oxígeno. Se encontró que los depósitos de isótopos de oxígeno son indistinguibles con una diferencia en Δ¹⁷O de 5 partes por millón nivel de incertidumbre. Esto indica que la Luna y la Tierra se formaron a partir de exactamente mismo material.

Esto no necesariamente se ajusta a la hipótesis canónica “impacto angular”. En ese caso, la Tierra y la Luna habrían tenido composiciones muy diferentes debido a la poca mezcla de material tras la colisión. Los autores llevaron a cabo su propio modelo de formación de la Luna con el fin de formar una hipótesis que compita con ésta. Encontraron que, para que el modelo coincida con sus datos, la Luna y la Tierra deben haber mezclado sus materiales a fondo en un choque violento. No sólo este resultado tiene implicaciones importantes para la formación de la Luna, sino que también proporciona las limitaciones de lo que puede haber ocurrido después de este gran impacto.

¡Material extra!

Todos sabemos que hoy en día, la Tierra está llena de agua líquida. Pero, ¿cómo obtuvimos tanta agua? La Tierra comenzó con una superficie líquida que seguramente se secó después de la formación. La teoría es que, después de que se formó la Tierra, cometas y asteroides ricos en agua colisionaron con la misma, suministrando el agua necesaria para llenar nuestros océanos. Saber que la Tierra y la Luna comenzaron sus vidas con las mismas proporciones de isótopos de oxígeno, nos ayuda a estimar la abundancia relativa de isótopos de oxígeno aportada por los cometas y asteroides que proporcionaron el agua a la Tierra. Los autores encontraron que dicho valor debe ser de Δ¹⁷O + 1% y ricos en agua.  Es decir, sus datos no sólo proporcionan pistas sobre cómo se formó la luna, sino que también nos provee información sobre cómo la Tierra consiguió su agua.

A pesar de las ideas que este artículo presenta con respecto a la formación y desarrollo del sistema Tierra-Luna, aún existen preguntas sin respuesta. Si la Tierra y la Luna tuvieron una violenta colisión frontal, ¿cómo terminó la Luna ubicada donde se encuentra hoy? ¿Cuál fue el intervalo de tiempo entre la colisión y las colisiones posteriores con cometas y asteroides? Desafortunadamente, esas preguntas están fuera del alcance del artículo de hoy pero, ¡al fin tenemos una respuesta definitiva a la pregunta de la composición de la Tierra y la Luna antes de la formación!