Legado 3: Calculando edades en la Luna

Mediante la densidad de craterización

En los años 50 del siglo pasado, la mayoría de los científicos creían que los cráteres lunares eran estructuras volcánicas. Cambiar este paradigma por el verdadero, es decir que se debían a impactos de asteroides, cuando la Tierra presentaba muy pocos de estos impactos ya que habían sido borrados por la intensa acción atmosférica fue obra de Eugene Shoemaker (ver Legado 0) . Hoy en día nadie lo discute al ver la intensa craterización de todos los cuerpos del Sistema Solar que tienen superficie sólida, tienen poca atmósfera y poca actividad interna que los destruya. Es como andar por la orilla del mar, en verano, un día de lluvia fina. La arena del mar es la superficie del planeta, las gotas de lluvia los meteoritos que dejan su huella en la arena y las olas del mar los agentes geológicos que rejuvenecen la superficie. Allí donde la ola alcanza, se ve el límite de la superficie joven con la otra plagada de cráteres.

Sabemos que en la Luna hay cuencas de impacto rellanas de lava o maria y tierras altas. El hecho de que los primeros tuviesen pocos cráteres y los segundos muchos, sirvió al principio de la era espacial para datar los terrenos, basándose en una nueva técnica, el conteo de cráteres. Se basa en un hecho obvio, cuanto más tiempo ha estado expuesta la superficie de un planeta, más cráteres tendrá. Cuando a una superficie no le caben más cráteres porque uno nuevo destruye uno antiguo se dice que está saturada. Suelen ser antiguas. Las superficies saturadas de cráteres tienen la misma densidad de cráteres con edades distintas, por lo que el método no es aplicable. Éste es un método cronológico semicuantitativo pues está sometido a muchas incertidumbres, como por ejemplo la variabilidad temporal de los impactos.

Datación mediante la desintegración radioactiva

En la Tierra las rocas o los objetos de distintas culturas se miden por desintegración radioactiva. Se usan diferentes desintegraciones con diferentes periodos de semidesintegración según la edad que se quiere medir. Para objetos de madera se usa el C14. Los isótopos de carbono son el C12, C13 y C14. La proporción de estos elementos en un árbol vivo es constante. El C12 forma 98,9% y el C13 el 1,1% habiendo sólo traza del C14, que es el único radioactivo. Al cortar el árbol, la razón C14/C12  rompe su equilibrio, pues el C14 se desintegra con un periodo de semidesintegración de 5.730 años. Midiendo la proporción actual de C14 se  puede ver cuántos periodos de semidesintegración ha sufrido y el tiempo que hace que se cortó el árbol.

Algunos de los isótopos atrapados en los granos interplanetarios en el momento de su condensación son inestables. Estos isótopos, o núcleos padre, se han desintegrado en núcleos hijo desde la fecha en que fueron incorporados en los granos. La abundancia del exceso de los isótopos puede medirse y permite fechar la formación de los granos, una vez que la constante de desintegración radiactiva se ha determinado. Ésta es el inverso del tiempo Te, el tiempo tras el cual el número de isótopos padre se ha dividido por e. 

Para medir la edad del Sistema Solar (meteoritos), rocas en la Tierra o la Luna (muestras traídas por el programa Apolo) se utilizan relojes de largo período, en particular el (K40, Ar40), (Rb87, Sr87), y (U238, Pb208) pares que tienen constantes de desintegración menores que 10⁻¹º/año. Medidas hechas con estos elementos en las muestras de meteoritos han mostrado que la edad del Sistema Solar es 4.570 millones de  años. Además, medidas realizadas con plutonio-244 y yodo-129 (con semividas radiactivas más cortas), muestra que sólo pasaron 100 millones de años entre la separación del material protosolar del medio interestelar y la formación de los planetas. Estos muestra que el Sol y el material en el disco protosolar tienen el mismo origen.
La Luna tiene unos 4.510 millones de años, la corteza de anortosita de las Tierras Altas se formó hace 4.400 millones de años. Entre los 4.000 millones y los 3850 millones todo el Sistema Solar interno, incluido la Tierra y la Luna sufrieron el Bombardeo Masivo Tardío (BMT) que craterizó las superficies de Mercurio y la Luna. Los maria lunares se formaron hace 3.400 millones de años. Desde entonces nada fundamental ha ocurrido en la Luna. Esto es a grandes rasgos, pues, no todos los mares se formaron a la vez, ni todas las tierras altas tienen la misma edad. Ha habido fenómenos locales: Impactos de asteroides para formar los cráteres Copérnico o Tycho etc....

Calibración de la escala

La datación mediante densidad de craterización es cualitativa. El análisis de las rocas lunares traídas por los astronautas del Apolo ha permitido datar las rocas y por tanto calibrar el método para la Luna. 

Fig. 1 Este diagrama muestra la correlación entre la edad de una región lunar (eje horizontal) y la densidad de cráteres de más de 1 km de diámetro.

La correlación mostrada en la Fig. 1 permite conocer la edad de cualquier otra zona de la Luna. Se cuenta el número de cráteres de más de 1 km. de diámetro por km² y la gráfica permite  deducir la edad de la región. De esta forma sabemos que el cráter Copérnico de 93 km. de radio tiene 800 millones de años. En realidad se halla ligeramente fuera de la línea de calibración. Su edad fue medida directamente de las rocas que trajo el Apolo XII que aterrizó al sur de Copérnico en el lecho de basalto del Oceanus Procellarum, en una zona que se creía que había estado en la trayectoria de uno de los rayos que emergen del cráter. El cráter Tycho es el cráter más joven entre los grandes cráteres de impacto del lado visible de la Luna.​ Su edad aproximada es de 108 millones de años, estimada a partir de la datación de muestras traídas durante la misión Apolo 17. 

Esta técnica nos ha permitido no solo datar la casi totalidad de la superficie lunar, incluyendo la mayoría de los mares y los cráteres más grandes, sino también las superficies de planetas como Mercurio y Marte (aunque obviamente al no tener muestras de estos planetas y a pesar de haber hecho los ajustes pertinentes, los resultados deben tomarse con mucho cuidado).

Esta técnica permitió concluir que la mayoría de las grandes cuencas de impacto en la Luna que un eón después se llenarían de lava para formar los maria tenían edades comprendidas entre los 4.000 y 3.850 millones de años, y descubrir el bombardeo masivo tardío. Algo que de no ser por las muestras traídas por el Apolo ignoraríamos. Y también desconoceríamos la migración hacia el Sol de Júpiter y Saturno que lo causó.

Bombardeo Masivo Tardío

Unos 400 millones de años después de que la Luna tuvo una superficie sólida (hace unos 4.400 millones de años), los asteroides que poblaban el Sistema Solar se acercaron al interior del sistema planetario donde estaba el sistema Tierra-Luna, Mercurio, Venus y Marte. El motivo fue la migración hacia el Sol del planeta gigante Júpiter que provocó la perturbación en la órbita de los asteroides. Al contrario de algunos sistemas planetarios extrasolares, el Sistema Solar sufrió pocas migraciones de los planetas en su disco protoplanetario, mientras los subdiscos de Júpiter y Urano sí las tuvieron. Lo sabemos porque las migraciones de los planetas o de los satélites en los subdiscos producen resonancias entre ellos, es decir, que los periodos entre los planetas guardan una relación sencilla entre ellos. Esto ocurre en muchos sistemas extrasolares y en los satélites de Júpiter y Urano en el Sistema Solar.

El resultado, un intenso bombardeo que ha dejado su huella en las brechas de las tierras altas. La mayoría de ellas tienen una edad que se extiende desde los 3.850 a los 4.000 millones de años. Esto lleva a la idea de que la Luna experimentó un bombardeo de meteoritos muy intenso durante ese lapso. Es el Bombardeo Masivo Tardío (BMT). Aunque no queden muchas evidencias, la Tierra también sufrió este BMT, un momento de la historia de la Tierra catastrófico y no propicio a avances. Sin embargo, en contra de toda lógica, al poco de acabar el evento surgió la vida. Ignoramos el periodo necesario para que surja la vida, pero éste de todas maneras se nos antoja corto.

La Luna se enfría y encoge

Hemos dicho que desde hace 3.400 millones de años en que se formaron los maria, (el bombardeo de asteroides y meteoritos es algo local, que sucede y seguirá ocurriendo)  nada fundamental ha ocurrido en la Luna. Pero esto no es del todo cierto: la Luna se enfría y encoge.

Los planetas como Mercurio o la Tierra se han formado por acreción. La formación de un planeta terrestre incluye colisiones de planetesimales. Estos choques son altamente inelásticos, así que la energía cinética de los cuerpos se almacenó en forma de calor. La temperatura final debió ser proporcional al número de choques o a la masa del planeta provocando un estado inicial de magma incandescente. La velocidad de enfriamiento subsiguiente está determinada por la razón entre superficie y el volumen del cuerpo. La superficie depende del radio al cuadrado mientras que la masa depende del radio al cubo. La razón entre la superficie y el volumen es inversamente proporcional al radio y por tanto es menor, cuanto más grande es el cuerpo, por lo que los cuerpos grandes y encima con mayor calor almacenado se enfrían más lentamente que los pequeños. El planeta enano Ceres y la Luna son junto a Mercurio y Marte cuerpos pequeños y que por tanto se han enfriado rápidamente.

Fig. 2  Relación entre la superficie y el volumen de los planetas terrestres al que se ha añadido la Luna y Ceres, y que determina la persistencia de la actividad geológica en un cuerpo.

La Luna, contra lo que se ve en el diagrama, todavía no se ha enfriado del todo. Algo del calor remanente de su origen se conserva en su interior y mantiene fundido una parte del núcleo lunar. Los astronautas del Apolo midieron el flujo de calor que emana del interior realizando agujeros en la superficie lunar. Algo que la sonda del Mars InSight está intentando, de momento con poco éxito.

Ceres, la Luna y el planeta Mercurio comparten un fenómeno común, al enfriarse se están arrugando. En 2014 investigadores de EEUU apoyados por las observaciones de Mercurio efectuadas por la Mariner X en 1975 y por la sonda Messenger, que orbitó Mercurio en 2011 han descubierto que el radio de Mercurio ha disminuido hasta 7 km. durante los últimos 4 mil millones de años. Esta reducción se debe al enfriamiento y contracción del planeta, que, a su vez, origina la aparición de escarpes lobulados (un tipo de fallas inversas) y crestas alomadas en su corteza.

Paul K. Byrne, científico en la Carnegie Institution of Science aclara: Como la superficie de este planeta no está dividida en placas tectónicas como en la Tierra, la única manera de responder a este enfriamiento es empujar partes de su corteza hacia arriba.

La contracción observada en la superficie de Mercurio ha vuelto a poner de relieve la teoría de la contracción desarrollada inicialmente para la Tierra por Heri Gautier en el siglo XVII y en boga a finales del siglo XIX.  A día de hoy esta hipótesis se ha descartado en el caso de nuestro planeta, ya que está dividido en placas que impiden este fenómeno. En cambio, Mercurio, Ceres y la Luna  no tienen placas y la teoría puede ser correcta. Es decir, la contracción global y la tectónica de placas son incompatibles. 

Ceres, de 974x909 kilómetros de diámetros ecuatorial y polar respectivamente, es un planeta enano que alberga un océano interno de agua líquida. Como ésta, al congelarse se expande, se había dado por hecho que el enfriamiento progresivo de Ceres había causado extensión de la superficie como proceso de deformación predominante en su historia. En 2019 se descubrieron en la superficie del planeta fallas inversas  producidas por la contracción de las capas superiores de un planeta. Su hallazgo significa que en algunas fases de su historia, la contracción ha dominado a la expansión. 

En mayo de 2019, Thomas Watters, científico principal en el Centro de Estudios de la Tierra y Planetarios del Smithsonian National Air and Space Museo en Washington descubrió el mismo fenómeno en la Luna. Los astronautas del programa Apolo dejaron sismómetros en la Luna. Estos detectaron terremotos lunares algunos de ellos profundos que permitieron descubrir la estructura interior de la Luna (Legado IV). Se detectaron unos 28 terremotos grandes de magnitud máxima de 5,5 en la escala Richter y una cantidad mucho mayor de terremotos de menor intensidad que ocurren una vez al mes cuando la Luna pasa por el perigeo o mínima distancia a la Tierra. Estos 28 seísmos lunares, detectados de 1969 a 1977, eran poco profundos, del tipo que se espera que sean producidos por fallas, pero no los asignaron a ningún accidente orográfico conocido. Es más hasta 2010 que el LRO detectó las fallas lunares y hasta mayo del 2019 no se tenía conciencia de actividad en ellas. Los 5 sismómetros del Apolo (el del Apolo 11 apenas funcionó unas tres semanas) no tenían suficiente resolución para detectar el epicentro de estos terremotos superficiales. Ahora Thomas Watters ha aplicado un algoritmo llamado LOCSMITH, que se usa en la Tierra para localizar epicentros cuando la red sismográfica es pobre. Watters determinó de forma más precisa los epicentros. Algunos científicos presentan dudas por la cantidad de matemáticas implicadas. Cuando trasladó esta ubicación a los mapas de la nave LRO vio con sorpresa que ocho de los 28 terremotos superficiales fuertes se encontraban a menos de 30 kilómetros de fallas visibles en las imágenes lunares logradas por LRO y que 6 de esos temblores habían ocurrido mientras la Luna estaba en el apogeo (¿?). El LRO en funcionamiento entre 2009 y 2018 había detectado miles de fallas jóvenes por toda la superficie lunar, de menos de 50 millones de años. Una falla típica tiene unas características de hasta 500 metros de ancho y 20 metros de profundidad. El LRO es capaz de ver objetos de hasta un metro. Este descubrimiento se ha interpretado como una evidencia de actividad tectónica reciente en la Luna. Es decir la Luna pasaría a ser de un cuerpo geológicamente muerto a algo vivo. La Luna no es, como hemos dicho, el único cuerpo que se encoge al enfriarse. Lo comparte con Mercurio y Ceres, que sepamos. Lo extraño es que siendo el más próximo haya sido el último en detectarse. Quizá porque el fenómeno es mucho menor. La Luna se encoge a medida que su interior se enfría, unos 50 metros en los últimos cientos de millones de años. Así como una uva se arruga a medida que se reduce a pasa, la Luna se arruga a medida que se encoge. A diferencia de la piel flexible de una uva, la corteza superficial de la Luna es quebradiza, por lo que se rompe a medida que la Luna se encoge, formando fallas de empuje, donde una sección de la corteza empuja hacia arriba sobre una parte vecina. Mercurio tiene enormes fallas de empuje, de hasta aproximadamente 1.000 kilómetros de largo y más de 3 kilómetros de altura, que son significativamente más grandes en relación con su tamaño que las de la Luna, lo que indica que se encogió mucho más que la Luna. La cámara del Orbitador de Reconocimiento Lunar (LRO) ha captado imágenes de más de 3.500 escarpes de fallas. Algunas de estas imágenes muestran deslizamientos de tierra o rocas en el fondo y parches relativamente brillantes en las laderas escarpadas de la falla o en terreno cercano. La radiación solar oscurece gradualmente el material en la superficie lunar, por lo que las áreas más brillantes indican regiones que están recién expuestas a la intemperie.

Fig. 3 Imagen del escarpe de falla de empuje lobular lunar. Este prominente escarpe de falla de empuje lobular lunar es uno de los miles descubiertos en las imágenes de la cámara del Orbitador de Reconocimiento Lunar (LRO). El escarpe o acantilado de la falla es como un escalón en el paisaje lunar (flechas blancas que apuntan a la izquierda) formadas cuando la corteza cercana a la superficie se junta, se rompe y empuja hacia arriba a lo largo de la falla a medida que la Luna se contrae. Los campos de rocas, parches de tierra brillante relativamente alta o regolito, se encuentran en la cara escarpada y en el terreno escarpado posterior (lado alto del escarpe, flechas que apuntan hacia la derecha). Imagen Marco LROC NAC M190844037LR. Créditos: NASA / GSFC / Arizona State University / Smithsonian

Se encuentran ejemplos de campos de rocas nuevas en las laderas del escarpe de falla en el grupo de Vitello y ejemplos de posibles características brillantes están asociadas con fallas que ocurren cerca de los cráteres Gemma Frisius C y Mouchez L. Otras imágenes de fallas LRO muestran huellas de caídas de rocas, que se esperaría si la falla se deslizara y el terremoto resultante enviara rocas rodando por la pendiente del acantilado. Estas huellas son evidencia de un terremoto reciente, ya que deberían ser borradas relativamente rápido, en escalas de tiempo geológicas, por la lluvia constante de impactos de micrometeoritos en la Luna. Las huellas de rocas cerca de las fallas en la cuenca de Schrödinger se han atribuido a la reciente caída de rocas inducidas por sacudidas sísmicas.

Además, uno de los epicentros revisados ​​del terremoto está a sólo 13 kilómetros del escarpe Lee-Lincoln atravesado por los astronautas del Apolo 17. Los astronautas también examinaron rocas y huellas de rocas en la ladera del Macizo Norte, cerca del sitio de aterrizaje. Un gran deslizamiento de tierra en el Macizo Sur en el escarpe de Lee-Lincoln es una evidencia más de posibles terremotos lunares generados por eventos de deslizamiento de falla.

Es realmente notable ver cómo los datos de hace casi 50 años y de la misión LRO se han combinado para avanzar en nuestra comprensión de la Luna al tiempo que sugieren hacia dónde deberían ir las futuras misiones con la intención de estudiar los procesos interiores de la Luna, dijo el científico del proyecto LRO John Keller. del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.

Fig. 4 El escarpe Lee-Lincoln cruza el suelo del valle y gira cortado el valle a la derecha. Biblioteca de imágenes de la NASA Apolo 17 (marco AS17-137-20897)

Fig. 5 Evidencia de terremotos en el escarpe de falla Lee-Lincoln. El valle Taurus-Littrow es la ubicación del lugar de aterrizaje del Apolo 17 (asterisco). Atravesando el valle, justo por encima del lugar de aterrizaje, se encuentra la falla de Lee-Lincoln. El movimiento en la falla fue la fuente probable de numerosos terremotos lunares que desencadenaron eventos en el valle. 1) Grandes deslizamientos de tierra en laderas del Macizo Sur cubrieron rocas y polvo (regolito) relativamente brillantes sobre y sobre la escarpa de Lee-Lincoln. 2) Los cantos rodados rodaron por las laderas del Macizo Norte dejando huellas o canales estrechos en el regolito en las laderas de éste macizo. 3) Deslizamientos de tierra en las laderas sureste de las Colinas Esculpidas.

Créditos: NASA / GSFC / Arizona State University / Smithsonian

El terremoto lunar en el cráter de Laue en el complejo Lorentz de 1975

El  7 agosto de 2019, mientras escribía este tercer legado, P. Senthil Kumar, científico principal del CSIR-National Geophysical Research Institute en Hyderabad, India dijo: Todos tienen curiosidad por saber la respuesta a esta pregunta: ¿está actualmente la Luna geológicamente activa? Sí, así es, remarcando el nuevo paradigma ya descrito en mayo de 2019 a raíz de nuevas interpretaciones de las observaciones del programa Apolo causadas por la observaciones de la nave lunar LRO. Los sismómetros dejados por las misiones Apolo detectaron un fuerte seísmo superficial de 4,1 grados de magnitud el 3 de enero de 1975 en el área del enorme cráter de impacto de Lorentz. Este se encuentra al noroeste, más allá del terminador de la Luna, en una región que sólo es visible desde la Tierra durante las libraciones favorables.

Fig.6 Imagen del cráter Lorentz con el cráter Laue en el borde sur. La fig. 7 es un mapa de la NASA de 1969 que identifica el cráter Laue. La fig. 8 muestra el cráter Laue y su interior. Con una flecha el cráter en forma de cono en cuyo interior está el escarpe lobulado y las estelas.

Laue es un cráter de impacto de 87 km. de diámetro y 2817 m de profundidad situado sobre el borde sur y el suelo interior de la enorme planicie amurallada del cráter Lorentz. El cráter Laue es una formación de cráteres moderadamente desgastada, con varios pequeños cráteres sobre su borde. El más grande está al noreste. Un par de crestas centrales de baja altura se ubican justo al sur del punto medio del cráter, con un pequeño cráter en forma de copa situado dentro del suelo interior al noroeste del centro. El resto del suelo es relativamente llano, pero está marcado por una serie de pequeños cráteres.

Ahora, un nuevo estudio en la revista Geophysical Research Letters de la AGU encontró que el terremoto surgió en un conjunto de pequeños acantilados en el interior del cráter Laue, situado en el borde sur de la enorme cuenca del cráter Lorentz. Desprendió rocas por las paredes del uno de los cráteres  que forma el conjunto.

Gracias a las imágenes del Orbitador de Reconocimiento Lunar (LRO) de la NASA, Kumar y su equipo pudieron estudiar signos directos de terremotos lunares pasados en forma de acantilados formados por fallas jóvenes, llamados escarpes lobulados, sísmicamente activas, cerca del epicentro. Además, se observan cientos de estelas que dejaron los cantos rodados al caer por las paredes  interiores empinadas del cráter de impacto con forma de copa. Además de las muchas estelas causadas por el terremoto de 1975, el equipo encontró otras estelas desvaídas, lo que sugiere que hay un historial de terremotos en este lugar. Encontraron muchas rocas que parecían haber caído de la misma manera, pero sus rastros se habían borrado con el tiempo. Interpretan estas diferencias como signos de al menos tres terremotos lunares y caídas de rocas con el tiempo: el reciente en 1975, otro terremoto más antiguo hasta hace aproximadamente 1,6 millones de años, y al menos un terremoto más que ocurrió hace más de 1,6 millones de años.

Si existen terremotos recurrentes, podrían ser signos de fallas que se deslizan en la corteza lunar. Eso significaría que la Luna todavía está activa El equipo, descartó que los impactos de meteoritos locales como el desencadenante de las rocas que caen al simular una variedad de impactos locales.

Fig. 9 En (a) se observan trazas dejadas por piedras tras caer por las paredes del acantilado interior del cráter. Atraviesan un pequeño cráter de impacto. En (b) y (c) las trazas dejadas en el interior del cráter con forma de copa.

Para averiguar las fechas de las estelas de rocas, los investigadores tuvieron que clasificar las edades relativas de las estelas por la medida en que se habían desvanecido. También utilizaron un método convencional para fechar cráteres conocido como conteo de cráteres, que ya hemos visto en este legado.

Debido a que la Luna no tiene atmósfera, y por lo tanto no tiene agentes atmosféricos, los procesos para erosionar  con el tiempo las estelas de rocas son los propios terremotos, o los impactos de micrometeoroides. Estos en la Luna sin atmósfera se estrellan directamente contra la superficie mientras que en la Tierra se queman en la atmósfera como lluvias de meteoritos. Dado que las marcas del sendero de rocas son muy pequeñas, se eliminan en decenas de millones de años. En cuanto a los escarpes que también se encuentran en la cuenca del cráter de Lorentz, estos son probablemente creados por múltiples terremotos a lo largo del tiempo. Calcular las edades de los escarpes es más difícil que los senderos de rocas y requerirá trabajo adicional, dijo Kumar.

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 

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

4) Legado IV: Estructura del interior lunar

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