Legado 2: Formación de la Luna

Sabemos que la formación de los satélites de los planetas gigantes ocurre como un proceso similar a la formación de los planetas y a partir de una subnebulosa planetaria y que, por tanto, los satélites están en el plano del ecuador del planeta. Pero éste no es el caso de la Tierra. La Conferencia que tuvo lugar en Houston en enero de 1970 para ver los resultados de las muestras que trajo el Apolo XI ya se descartó ésta opción. La Luna se había formado en caliente. La Luna, simplemente no debería existir, pues ninguno de los planetas terrestres del Sistema Solar tiene satélites naturales. Marte tiene dos pequeños satélites quizá asteroides capturados. La Luna no está en el plano del ecuador de la Tierra ni en el plano de la eclíptica.

También descartó las teorías de la captura por la identidad isotópica de la Tierra y de la Luna y la de fisión. Nos habíamos quedado sin teorías sobre el origen de la Luna.

Los científicos norteamericanos Donald Davis y William Hartmann propusieron en 1975 que el origen de la Luna era el resultado de la colisión de un gran planetesimal del tamaño de Marte con la proto-Tierra. El protoplaneta fue bautizado apropiadamente como Teia (en la mitología griega la madre de la diosa Selene) y se le llamó la hipótesis del Gran Impacto. Luego junto con el grupo de Cameron publicaron los trabajos en 1975 y 1976. Desde entonces la teoría ha ido aportando más detalles del impactor, de las características del choque, de su procedencia, de los parámetros del choque, de la condiciones de la conversión del disco de escombros en la Luna. Algunas de ellas, hasta que se formula en 2015 la teoría actual del modelo del impacto violento del geoquímico de la Universidad de Washington Kung Wang, han cambiado substancialmente.

Fig. 1 La Luna no está en el plano del ecuador de la Tierra, con el que forma un ángulo de 28,6º, ni en el plano de la eclíptica, con el que forma un ángulo de 5,15º. Su ecuador forma un ángulo de 6,68º-5,15º=1,5º con la eclíptica, así que la luz solar es cenital en el ecuador y hay cráteres cercanos a los polos, donde la luz solar nunca alcanza a su fondo y las temperaturas constantes de –220ºC quizá conservan depósitos de hielo cometario.

El momento en que esto ocurrió se acota entre los 40 y los 100 Ma tras la formación del Sistema Solar. La transformación Hf-182®W-182 proporciona la edad de diferenciación de la Luna y la primera cifra. La datación de las colisiones entre los proyectiles que escaparon de la gravedad de la Tierra y que han dejado en los aerolitos huellas del impacto la segunda. Recientes estudios en 2019 nos dicen que la Luna es más vieja y la cifra de 40 Ma la correcta.

Identidad isotópica

Todos los cuerpos del Sistema Solar tienen una composición isotópica distinta, reflejo de su historia única. Las simulaciones numéricas del impacto predecían que la mayor parte del material (60-80%) que se fusionó en la Luna debía proceder de Teia y no de la Tierra y eso era un gran problema. En 2001, un equipo a la Institución de Carnegie de Washington informó que la firma isotópica de las rocas lunares era idéntica de la Tierra, y era diferente de casi todos otros cuerpos en el Sistema Solar. En 2014, los análisis realizados de forma independiente por el equipo de Thomas Kruijer de la Universidad de Münster (Alemania) y el de Mathieu Touboul en la Universidad de Maryland (EE UU) mostraron una composición isotópica similar a la Tierra, aunque había pequeñas diferencias. Una de ellas era el exceso del isótopo 182W del wolframio (también llamado tungsteno) en la Luna, lo que los investigadores relacionan con un depósito tardío de material. Tras su formación, con el transcurso del tiempo los elementos se acumularon en diferentes proporciones en la Luna y Tierra.

En palabras de Kung Wang: El objetivo es encontrar una manera de hacer que la Luna en su mayor parte proceda de la Tierra en lugar de Teia. Hay muchos nuevos modelos para lograrlo....

La primera idea surge en 2004, el matemático Edward Belbruno de Princeton y el astrofísico J. Richard Gott propusieron la hipótesis de que Teia se formó en el punto de Lagrange L4 o L5 del sistema Sol-Tierra ya que dicha relación isotópica parece depender de la distancia al Sol. Teia se desestabilizó de su órbita troyana cuando su masa alcanzó la masa de Marte (raro pues un sistema troyano Tierra-Marte sería estable) y chocó con la Tierra en un choque a baja velocidad. Pero para explicar más coherentemente la similitud isotópica, la hipótesis que primero cayó fue la coorbitalidad de Teia. Dado que la Luna presenta una mayor proporción de monóxido de hierro (FeO) que la Tierra, se supone que esta diferencia cabe achacarla a Teia. El valor más probable es inferior al 30 % de monóxido de hierro y esto significa que Teia tuvo que formarse en la región del disco protoplanetario comprendida entre Venus y la Tierra, pero no más lejos. En 2007 aparece la idea de un impacto más violento, hasta el punto de que Teia y buena parte de la proto-Tierra fueron pulverizados, expandiéndose hasta formar un enorme disco superfluito de silicato del cual cristalizó la Luna. Mientras los núcleos de la Tierra y Teia se fundieron para dar lugar al núcleo terrestre. No obstante para que esto sea posible el disco de escombros protolunar tendría que durar unos 100 años ya que el intercambio de material a través de esta atmósfera de silicato es muy lento. En las primeras teorías del Gran Impacto la formación de la Luna apenas duraba un año. Los investigadores afirmaron que la probabilidad de Teia tenga una firma isotópica idéntica a la Tierra es menor que el 1%.

Modelo de fusión

En 2015 Kung Wang y su equipo hicieron una corrección al modelo del impacto violento. Asumen que el impacto fue tan violento que Teia y el manto de la Tierra se vaporizaron y se mezclaron para formar una atmósfera densa de vapor y masa fundida que se expandió para llenar un volumen más de 500 veces mayor que la Tierra actual. El material despedido estaba dentro del radio de Hill de la Tierra pero en su mayor parte fuera de su límite de Roche. El ambiente del manto era un fluido supercrítico, sin fases de líquido y gas distintas (Sinestesia). Mientras los núcleos de la Tierra y Teia se unían para formar el núcleo terrestre. La mezcla completa de esta atmósfera explica la composición isotópica idéntica de la Tierra y la Luna.

Una nueva medición de isótopos de potasio en rocas lunares y terrestres apoya esta idea. Al comparar las proporciones de isótopos de potasio K-41 y K-39 en rocas terrestres y lunares procedentes de diferentes misiones Apolo encontraron que las rocas lunares se enriquecieron en alrededor de 0,4 partes por mil en el isótopo K-41. El único proceso de alta temperatura que podría separar los isótopos de potasio es la condensación incompleta del potasio de la fase de vapor durante la formación de la Luna. En comparación con el isótopo más ligero, el más pesado caería preferentemente fuera del vapor y se condensaría. Sin embargo, este proceso no ocurrió en un vacío absoluto, ya que daría lugar a un enriquecimiento en K-41 de 100 partes por mil, sino que la Luna se condensó a una presión superior a 10 bar, o aproximadamente 10 veces la presión atmosférica al nivel del mar en la Tierra.

Este modelo generó una Tierra con un periodo de rotación muy corto lo que se denomina también de elevado momento angular.

En otras palabras, el modelo de la fusión, que es el que está en vigor, sugiere que el impacto fue tan brutal que casi pulverizó la Tierra.

El mérito de la hipótesis del Gran Impacto era que explicaba muchos de los rasgos lunares:

·        La abundancia de los isótopos de oxígeno (16O, 17O y 18O) medida en las rocas recogidas durante las misiones Apolo, es prácticamente igual a la que existe en la Tierra.

·  La Luna se formaría cerca de la Tierra y desde entonces iría frenando la rotación de la Tierra y alejándose. Esto explicaría los datos paleontológicos de años con más días y días más cortos.

·    La baja densidad lunar procedería de su origen. Formada del manto de la Tierra y Teia. Muy poco de los núcleos. Esto explicaría que la Luna tiene un núcleo de hierro relativamente pequeño, menor del 25% de su radio. Lo sabemos por la densidad media, el momento de inercia, y la inducción magnética de la Luna, medida por la nave Lunar Prospector.

·    Por el contrario la Tierra tiene la densidad más alta de todos los planetas en el Sistema Solar ya que el núcleo de Teia se agregó al de la Tierra.

·   El elevado momento angular del sistema Tierra-Luna quedaba explicado porque el impacto lateral aumentaría la velocidad angular de la Tierra.

·    La Luna tuvo su superficie completamente fundida. Lo demuestra la composición de la corteza lunar, rica en anortosita, y la existencia de muestras ricas en KREEP. Un gigantesco impacto pudo aportar la energía suficiente para formar un océano global de magma.

·    La escasez de agua y elementos volátiles en la Luna se debería a su expulsión en el momento del choque por el máximo térmico que se alcanzó.

·    Las rocas lunares contienen más isótopos pesados de cinc y en conjunto tienen menos cinc.que el que existe en las rocas volcánicas de la Tierra o Marte lo que es consistente con que el cinc desapareció de la Luna a través de la evaporación, como se espera de su origen derivado de un impacto gigante. El cinc se fracciona en sus isótopos cuando las rocas se volatilizan por impactos pero no durante los procesos volcánicos normales así que la abundancia y la composición isotópica del cinc puede distinguir entre los dos procesos geológicos evaporación e impacto gigante.

·    Se cree que el otro sistema doble del Sistema Solar, Plutón-Caronte, también es fruto de un impacto mucho menor, sólo que en este caso quedaron como residuo pequeños satélites.

·    Existen evidencias de colisiones similares en otros sistemas planetarios. En las viejas estrellas HD 172555 y en b Pic hay un disco de escombros con polvo de sílice rico en gas SiO. También hay un cinturón de polvo alrededor de la joven estrella HD 23514 entre 0,25UA y 2UA.

Todo sugiere la colisión para formar la Luna.

 Dificultades

A pesar de que no hay duda de que la teoría del Gran Impacto (versión fusión) es la correcta para explicar el origen de la Luna, existen varios interrogantes que no han sido resueltos. No obstante, sí queda explicado el hecho de que la firma isotópica de la Tierra y la Luna sean similares. De la mezcla de mantos de la proto-Tierra y Teia nacen la Tierra y la Luna. Entre las dificultades se incluyen:

·     No queda explicada la inclinación de la órbita lunar de 28,6º respecto del plano ecuatorial.

·     La presencia de volátiles como el agua atrapada en los basaltos lunares es más difícil de explicar si la Luna nació de un impacto que tuvo como consecuencia un evento calorífico.

·    Las relaciones entre los elementos volátiles en la Luna no son consistentes con la hipótesis del gran impacto. En concreto cabría esperar que la relación entre los elementos rubidio/cesio fuera mayor en la Luna que en la Tierra, ya que el cesio es más volátil que el rubidio, pero el resultado es justamente el contrario.​

·    No existe evidencia de que en la Tierra haya existido un océano de magma global. Se han encontrado materiales en el manto terrestre que no parecen haber estado nunca en un océano de magma.

·    El contenido del 13% de óxido de hierro (FeO) en la Luna es superior al 8% que tiene el manto terrestre.

Bibliografía:

• The Scientific Legacy of Apollo (Ian A. Crawford, Department of Earth and Planetary Sciences, Birkbeck College,University of London en arXiv 2012)
• Los resultados científicos del Apolo XI (Rafael Bachiller, Director del Observatorio Astronómico Nacional.
• Redescubriendo la Luna (Jorge I. Zuluaga, Astrónomo del SEAP y FCEN Universidad de Antioquía, Colombia)
• Apuntes míos: Origen de la Luna (Cap. 27.10.10) Datación de superficies planetarias (Cap. 5.4.2)

Otros artículos de esta serie:

0) Legado 0: Legado del programa Apolo (Introducción)
1) Legado I: Análisis de las rocas lunares

2) Legado II: Origen de la Luna (éste)

3) Legado III: Datación por densidad de craterización. Calibrado. Bombardeo masivo tardío. La Luna se encoge. 

4) Legado IV: Estructura del interior lunar

5) Legado V: El pasado y futuro del sistema Tierra-Luna