Una teoría sobre la formación lunar: la hipótesis de impacto múltiple

• Título del artículo: The role of multiple giant impacts in the formation of the Earth-Moon system (pdf)
• Autores: Robert I. Citron, Hagai B. Perets, and Oded Aharonson
• Institución del primer autor: Universidad de California, Berkeley
• Estado del artículo I: Aceptado en ApJ [acceso abierto]
• Astrobite original: A Proposed Moon Formation Theory: The Multiple-Impact Hypothesis por Jacob Azoulay

Ha estado con nosotros mucho antes que los seres humanos pusieran un pie en la Tierra. Cualquier persona que conozcas la ha visto brillar en el cielo nocturno. Sin embargo, los investigadores solo pueden especular sobre su creación.

Se estima que la Luna se formó hace 4.530 millones de años, cuando un cuerpo celeste del tamaño de Marte colisionó con la Tierra, arrojando escombros que eventualmente se conglomeraron. Pero, ¿qué pasa si esta “hipótesis de gran impacto” no es como se formó la Luna en realidad? Afortunadamente, utilizando simulaciones computacionales, los autores del artículo de hoy, pueden ayudarnos a comprender mejor los orígenes de nuestra Luna.

¿Qué hace una teoría de la formación de la Luna buena?

Cualquier hipótesis científica sobre la formación de la Luna debe explicar tres puntos clave: la baja densidad de la Luna, el momento angular actual del sistema Tierra-Luna y por ultimo, las similitudes en las relaciones de isótopos entre la Tierra y la Luna. La comunidad científica actual tiende a favorecer la Hipótesis de Gran-Impacto precisamente porque aborda estos tres puntos. Sin embargo, colisiones lo suficientemente grandes como para formar la Luna son raras, apareciendo solamente un 2% del tiempo en las simulaciones computacionales. En cambio, las colisiones más pequeñas y más rápidas son más probables, dando crédito a la Hipótesis de Impacto-Múltiple.

La Hipótesis de Impacto-Múltiple

Como su nombre lo sugiere, la Hipótesis de Impacto-Múltiple teoriza que hubieron varios impactos más pequeños a lo largo del curso de la formación de la Tierra. Cada uno de estos impactos descargó rocas, creando un disco de acreción (esto es un disco giratorio de escombros) alrededor de la tierra. Con velocidades orbitales relativamente bajas, las partículas del disco de acreción se agruparían levemente, creciendo como una bola de nieve rodando por una montaña. Con cada órbita, el disco de acreción acumularía más y más masa, lo que en efecto aumentaría su autoproducida gravedad. Eventualmente, todos los escombros se unirían en un satélite de cuerpo-rígido llamado moonlet (pequeña luna). Ver Figura 1 para una representación visual de este proceso. Se estima que este proceso demorará unos 50 años, un período relativamente corto en comparación con los millones de años que la Tierra tardó en formarse.

Figura 1: Formación lunar como resultado de un impacto en la Tierra.

Se estima que tales impactos que crean lunas ocurrieron en promedio cada seis millones de años en el transcurso en los cuales la órbita de una Luna preexistente se aleja más de la Tierra debido a la migración de las mareas (dato curioso: ¡la Luna se aleja de la Tierra en espiral cerca de 3.82 centímetros por año!). A medida que la Luna preexistente orbita más lejos de la Tierra, un impacto posterior produciría una nueva luna, que orbitaría la Tierra con un eje semi-mayor más pequeño. Por lo tanto, un sistema de dos lunas evolucionaría con una luna más nueva en órbita más cerca de la Tierra y una luna más vieja en órbita más lejos de la Tierra (Ver Figura 2a).

De acuerdo con la Hipótesis de Impacto-Múltiple, las dos lunas eventualmente se fusionaría para formar una luna estable más grande (ver Figura 2c). Esta luna más grande recién fusionada tomaría el lugar de la luna exterior, ya que un impacto posterior formaría una nueva luna interior. Luego se repite el proceso a medida que la luna exterior se hace más y más grande hasta que evoluciona hacia la Luna tal como la conocemos hoy.

Tiempo de Simulación Computacional

Si bien, en teoría, la Hipótesis de Impacto-Múltiple se mantiene, ¿sería posible que los impactos con la Tierra  produzcan lunas estables en la vida real? Con la llegada de mayor capacidad de procesamiento rápido en las computadoras, los autores de este artículo ejecutaron fácilmente miles de simulaciones, cada una de ellas con pequeños ajustes de parámetros, para determinar cuales resultados son más probables.

Las primeras simulaciones demostraron cómo un impacto posterior con la Tierra afectaría la órbita de una luna preexistente. Cada simulación comenzó con una luna preexistente en órbita alrededor de la Tierra a unos 17 radios terrestres (~ 100,000 km) lejos de la Tierra. A modo de comparación, la Luna se encuentra a una distancia de aproximadamente 60 radios terrestres hoy.

En cada simulación, al cuerpo de colisión entrante, el impactador, se le asignó una masa aleatoria, velocidad, ángulo de impacto, órbita inicial y parámetro de impacto. Después de 5000 simulaciones, los autores descubrieron que es poco probable que los impactadores de un sistema Tierra-luna afecten la órbita de la luna preexistente. Casi el 90% de las simulaciones resultaron en una luna preexistente estable. El otro 10% dio como resultado que la luna se colapsara en la Tierra o se expulsara del sistema, las cuales probablemente fueron causadas por impactos masivos muy rápidos.

La segunda ronda de simulaciones probó la probabilidad de que se fusionasen una luna exterior externa preexistente y una luna luna interna recién formada. En estas simulaciones, a la luna exterior se le asignó una masa y distancia aleatorias de la tierra, mientras que a la luna interior se le asignó una masa aleatoria pero a una distancia inicial de la tierra de 3.8 radios terrestres fuera del límite de Roche, por debajo del cual las fuerzas de marea destruirían la luna.

Los autores encontraron resultados mixtos. En resumen, las dos lunas se fusionaron aproximadamente el 70% del tiempo para los sistemas progrado-progrado (sistemas en los que ambas lunas orbitan la Tierra en la misma dirección). El otro 30% de las veces, ambas lunas ingresaron individualmente o como una unidad fusionada (ver Figura 2b), solo la luna interna ingresó (ver Figura 2d), o, en casos raros, ambas lunas fueron expulsadas del sistema.

Figura 2: Posibles resultados de un sistema inicial (a) de dos lunas. Las dos lunas podrían (b) ingresar individualmente o como una unidad fusionada. Las dos lunas podrían (c) fusionarse en una luna estable más grande. Una de las dos lunas (d) podría ingresar.

¿Así que cómo se formó la Luna realmente?

Desafortunadamente, todavía no hay una respuesta definitiva a esta pregunta. El consenso es que lo más probable la fomación de la Luna se debe a impactos, pero la pregunta es ¿cuántos? Las simulaciones muestran que es posible, al menos, en un mundo digital ideal, que miles de millones de años atrás, múltiples impactos crearon varias lunas que finalmente se fusionaron para formar la Luna. Aunque la Hipótesis de Impacto-Múltiple es solo eso, una hipótesis que con suerte en futuras investigaciones, llegaremos a tener una mejor comprensión de cómo se formó la luna. Si bien continuamos mirando hacia atrás en el tiempo para tratar de comprender mejor los orígenes de nuestra luna, también es importante mirar de noche y apreciar su hermoso resplandor.