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

Legado 1: Análisis de las muestras del programa Apolo

Muchos de los conceptos básicos como maria, tierras altas, regolito, composición química de la Luna, minerales en las rocas lunares se encuentran en Geología de la Luna. Puedes leerlo cuando consideres.

Las muestras lunares

El conocimiento de la geología lunar aumentó mucho a partir de la recogida de muestras lunares por el programa Apolo. El reto de Kennedy de 1961, visto el Legado 0  se enmarca en la Guerra Fría existente entre la Unión Soviética y EEUU, era puramente tecnológico. La parte científica del programa Apolo fue creciendo a medida que avanzaba la exploración lunar. Gracias a dicho programa, la Luna es el único cuerpo, junto con la Tierra, cuya geología se conoce detalladamente y del que se obtuvieron muestras de distintas regiones. Durante las seis expediciones Apolo que alunizaron se recogieron 2.415 muestras con un peso total de 382 kg. La mayoría recogidas por las misiones Apolo 15, Apolo 16 y Apolo 17. Entre las tres, un total de 283 kg de muestras.

Las muestras de roca lunar se recogieron mediante el uso de diferentes herramientas, incluyendo martillos, rastrillos, palas, etc. La mayoría fueron fotografiadas antes de ser recogidas para registrar las condiciones naturales en que se encontraban en la Luna. Se depositaron en bolsas de muestras y éstas en contenedores de muestras para su regreso a la Tierra, protegidas de la contaminación.

Los astronautas del Apolo XI habían recogido polvo lunar (regolito), basaltos oscuros, formados tras la solidificación de lava líquida, pero también trazas de anortosita  un mineral que lo cambio todo. Una roca ígnea blanco-grisácea formada principalmente por el mineral plagioclasa un tipo de feldespato rico en aluminio y calcio (CaAl₂Si₂O₈) y que se forma después que el océano de magma se había cristalizado. A pesar de que la misión Apolo 11 transcurrió en el Mar de la Tranquilidad, también se recogieron fragmentos milimétricos de rocas de las tierras altas: anortosita

Previamente al alunizaje, NASA había enviado una convocatoria internacional a investigadores. Se seleccionaron 142 proyectos, orientados a estudiar la mineralogía, la composición química y las razones isotópicas de las rocas provenientes de la superficie de la Luna.

En septiembre de 1969, los investigadores recibieron unos pocos gramos de material lunar. Tenían cuatro meses para el estudio antes de que del 5 al 8 de enero de 1970 se organizara en Houston una Asamblea Internacional de Geología Lunar, para presentar los resultados análisis de las muestras lunares. El mismo día de la inauguración Joseph Smith de la Universidad de Chicago y el geólogo planetario John Wood (del Smithsonian Astrophysical Observatory) presentaron la idea revolucionaria de que la Luna estuvo en su origen totalmente fundida y éste océano de magma fue solidificándose a medida que se enfriaba. Una corteza de anortosita de unos 25 kms. de espesor parecía cubrir toda la superficie de la Luna. Los materiales más densos, como el olivino y el piroxeno, se hundieron para dejar que los más ligeros, como la anortosita, afloren a la superficie. La excepción eran los maria donde grandes impactos de meteoritos habían creado cuencas, que 1.000 millones de años (1 eón) más tarde se habían rellenado de lava. Esto se averiguó por medio de las razones isotópicas del estroncio, que determinaron para los maria una edad de 3.600 millones de años. Una formación en caliente que erradicaba la formación fría por acreción.

El profesor John Esson de la Universidad de Manchester descartó la teoría de la fisión según la cual la Luna se había desgajado de la Tierra. Sólo quedaba la teoría de la captura, pero, aunque no he encontrado su rechazo explícito, los 142 expertos no encontraron evidencias de profundas variaciones en la composición química lunar. Aunque el doctor finlandés Biger Wiik que ha aislado 29 elementos químicos lunares afirma que hay varios que son rarísimos en las rocas terrestres (se refiere a los KREEPs). Nos hemos encontrado sin teoría sobre el origen lunar pues la composición química de un cuerpo capturado y sobre todo sus razones isotópicas no tendrían nada que ver con la Tierra. La teoría de la Gran Colisión sobre el origen lunar que veremos en el Legado 2, surgirá dos años después del fin del programa Apolo.

El Apolo XVI fue la única misión que aterrizó en las tierras altas, todas las demás lo hicieron en las inmensas llanuras de los maria. También lo hizo el vehículo no tripulado Surveyor 7 que aterrizó en el cráter Tycho.

Para comprobar si la anotosita era abundante en las Tierras Altas, los investigadores revisaron los datos obtenidos por el Surveyor 7. Aquellos datos no habían sido concluyentes, pero, ahora que se sabía de la presencia de anortosita en la Luna, la cosa cambiaba. No en ese momento sino en uno muy posterior, se decidió enviar el Apolo XVI a Tierras Altas para tener muestras de esta parte de la Luna.

Fig. 1 La Armalcolita es un mineral hallado el Mar de la Tranquilidad, de la Luna, por los astronautas del Apolo XI que lleva su nombre en su honor (ARMstrong, ALdrin y COLlins). Es un óxido de titanio, hierro y magnesio, que también se ha encontrado en la Tierra.

La principal característica de las rocas lunares respecto a las terrestres es su mayor riqueza en hierro, magnesio y sobre todo titanio, siendo pobres en elementos volátiles como potasio, sodio, bismuto etc. En general, las rocas recogidas en la Luna durante el programa Apolo son mucho más viejas que las que se pueden encontrar en la Tierra, según las técnicas de datación radiométrica. Las muestras datan de entre hace 3.200 millones de años, caso de las muestras de basalto de los mares lunares, hasta hace 4.100 millones de años, caso de las muestras de zonas altas. Son por lo tanto muestras de un período muy temprano en la formación del Sistema Solar.

Es curioso que para estudiar los primeros tiempos en la Tierra se haya tenido que ir a la Luna pues nuestro planeta tiene tanta actividad que ha destruido las rocas más primitivas. Concretamente se han perdido los primeros 500 millones de años de la historia de la Tierra.

Entre las rocas destaca la roca Génesis encontrada por los astronautas del Apolo XV.

Fig. 2 La roca Génesis, fue encontrada por los astronautas del Apolo 15 en el cráter Spur. Es una anortosita muy antigua (4100 millones de años) que se formó cuando la plagioclasa anortosita, un mineral ligero, flotó sobre el océano de magma que siguió a la formación violenta de la Luna.

El principal almacén de rocas lunares es el Laboratorio de Recepción Lunar del centro espacial Lyndon B. Johnson, en Houston. Por motivos de seguridad, existe también una colección menor en la base de la Fuerza Aérea Brooks en San Antonio. La mayoría de las rocas se guardan bajo frío extremo, en nitrógeno líquido, para así mantenerlas libres de la humedad o de otros agentes externos. Sólo se pueden manejar indirectamente utilizando herramientas especiales. La NASA tuvo la precaución de guardar muestras para análisis futuros. La actual directora en funciones de la división de ciencias planetarias de la NASA, Lori Glaze dice: estas muestras se guardaron deliberadamente para que pudiéramos aprovechar la más avanzada y sofisticada tecnología actual para responder a preguntas que no sabíamos que íbamos a tener que hacernos. Ahora 800 gramos del material nunca expuestos a la atmósfera terrestre serán desembalados y estudiados con la tecnología que no existía hace 50 años.

Un pequeño número de rocas lunares están expuestas al público en museos o fueron regaladas a dignatarios de los países que, los astronautas visitaron tras el vuelo del Apolo XI, entre ellos España. Muchas de ellas han desaparecido.

Fig. 3 Anortosita ferrosa lunar #60025 (feldespato tipo plagioclasa). Recolectado por el Apolo 16 cerca del Cráter Descartes. Museo Nacional de Historia Natural (Washington, DC).

Fig. 4 La Roca del Cinturón de Seguridad, que fue recogida por el astronauta David Scott, del Apolo XV, desobedeciendo ordenes del control en Tierra, sólo porque le pareció curiosa. Los agujeros (vesículas) son producidos por gas atrapado en el magma, quizá dióxido de carbono y monóxido de carbono, con algo de sulfuro.

Formación de la corteza de anortosita.

Rick Carlson, geoquímico y director del departamento de magnetismo terrestre del Instituto Carnegie para la Ciencia (EE UU)  dice que las muestras lunares cambiaron completamente la visión de cómo se forman los planetas: En vez de una suave y fría acumulación de cuerpos pequeños, ahora en la mayoría de los modelos de formación planetaria intervienen impactos muy energéticos entre grandes objetos. De hecho, el modelo dominante sobre el origen de la Luna es que se formó de materiales despedidos de la Tierra cuando esta fue impactada por un objeto puede que tan grande como Marte. Se verá en el Legado 2.

A las altas temperaturas en las que nació, el cuerpo estaba cubierto por un inmenso océano de magma de roca y metal fundidos. La existencia de este océano de magma en las primeras etapas se propuso por primera vez en la Conferencia Lunar de Houston en 1970, cuando los geólogos observaron la abundancia de trazas de anortosita en un sitio insospechado el Mar de la Tranquilidad. La anortosita es un tipo de roca ignea, rica en el mineral ligero la plagioclasa y muy pobre en minerales más densos. En este océano, las sustancias o minerales más pesados se precipitaron a las profundidades, mientras que las más ligeras como la anortosita flotaron como, la escoria lo hace en el hierro fundido. El océano de magma se congeló después de varios eones, pero su existencia quedó grabada en la mineralogía de la superficie de la corteza de la Luna.

El concepto del océano de magma fue comprobado en 1994 con la sonda estadounidense Clementine, la cual en su órbita polar durante dos meses tomó fotografías en diferentes longitudes de onda. Los científicos analizaron el contenido de hierro en la superficie lunar a través de las variaciones de la intensidad de la luz reflejada en diferentes longitudes de onda. La hipótesis del océano de magma predice que las tierras altas lunares deberían tener un bajo contenido en hierro, menos de aproximadamente 5 % por peso (registrado como óxido de hierro FeO). Las mediciones de la Clementine, confirmaron ésta abundancia que fue ratificada en 1998 por la sonda  estadounidense Lunar Prospector.

 Fig. 5 Formación de la corteza de anortosita. Por feldespato, entendemos anortosita, un tipo de roca rica en el mineral ligero la plagioclasa y muy pobre en minerales más densos.

Las tierras altas están formadas principalmente de plagioclasa porque este mineral se fue acumulando en la parte superior del océano de magma por flotación, dando lugar a la hipótesis de que la Luna estuvo alguna vez cubierta por un océano de magma.

Para Rick Carlson: Con las primeras muestras del Apolo 11, nos dimos cuenta de que la Luna se formó en caliente, posiblemente completamente fundida. Al enfriarse desde este estado inicial, generó una gruesa corteza mediante la flotación de cristales en un magma en enfriamiento, en cierta medida como los icebergs se forman en el océano, pero mucho más caliente.

Constitución geológica de los mares

La principal características de las rocas basálticas, respecto de las rocas de las tierras altas, es que los basaltos contienen una mayor cantidad de olivino y piroxeno y menos plagioclasa. Las del Apolo XI tenían mucha ilmenita (18%), un óxido de mineral de hierro y titanio. El Apolo 12 regresó a Tierra con basaltos de menores concentraciones (5%) y las misiones siguientes y las misiones automatizadas soviéticas regresaron con basaltos con una concentración aún menor de ilmenita (2%).

La sonda Clementine proporcionó datos que muestran un amplio rango de contenido de titanio en las rocas basálticas, siendo las de alto contenido, las de menor abundancia.

Las formas de los granos minerales en la que están presentes en los basaltos de los mares indican que estas rocas fueron formadas en coladas de lava, algunas delgadas (de un metro de espesor) y otras más espesas (hasta 30 metros). Muchos de los basaltos lunares contienen pequeños agujeros llamados vesículas, los cuales fueron formados por burbujas de gases atrapados cuando se solidificó la lava. No se sabe con certeza cuáles fueron los gases que escaparon de estas rocas. En la Tierra las vesículas se forman con la salida de dióxido de carbono, vapor de agua acompañada de algo de sulfuro y cloro. En la Luna no hay señales de la existencia de agua. Es probable que hayan sido dióxido de carbono y monóxido de carbono, con algo de sulfuro.

Las muestras de vidrios piroclásticos se presentan de color verde, amarillo y rojo. La diferencia en color reflejan la cantidad de titanio que poseen, de esta manera, las partículas verdes tienen las menores concentraciones (cerca de 1 %) y las rojas son las de mayores concentraciones con un 14 %, mucho más que los basaltos de mayores concentraciones.

Los experimentos llevados a cabo en las rocas basálticas y vidrios piroclásticos muestran que se formaron cuando el interior de la Luna estaba parcialmente fundido Los experimentos mostraron que el fusión en la Luna tuvo lugar a una profundidad de entre 100 a 500 km, y que las rocas que se derritieron parcialmente contenían principalmente olivino y piroxeno con algo de ilmenita en las regiones que formaron los basaltos de alto titanio.

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 Solar 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 estos asteroides.

Para Rick Carlson: El registro de cráteres de la Luna nos cuenta que los grandes impactos de meteoritos eran algo común en los principios del Sistema Solar. (BMT).

Lo interesante de las brechas de las tierras altas, especialmente las brechas de impacto (rocas parcialmente derretidas por un evento de impacto) es que la mayoría de ellas se ubica en 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), que veremos en el Legado 3.

El debate sobre el origen de los cráteres que había encauzado correctamente Eugene Shoemaker se zanjó definitivamente. Las rocas lunares evidenciaban huellas de fusión, vidrios de impacto y brechas, surgidos por las enormes presiones producidas por impactos de meteoritos.

Resumen

Los datos del programa Apolo nos enseñaron que

·         La Luna se formó en caliente de un choque violento de una proto-Tierra y un planetésimo del tamaño de Marte.

·         La corteza lunar de las tierras altas es de anortosita una plagioclasa ligera que flotó en el océano de magma, mientras el olivino y piroxeno más densos se hundían.

·         Unos 400 millones de años después de que la Luna tuvo una superficie sólida (hace entre 4.000-3.850  millones de años), hubo un Bombardeo Masivo Tardío (BMT) que afectó al Sistema Solar interior y del que en la Tierra no quedan casi vestigios.

·         Los maría eran en principio grandes cuencas causadas por planetesimales.

·         Los cráteres nos eran volcanes y los maria se formaron 1.000 millones de años (1 eón) después de la formación de la corteza de anortosita. El basalto con ilmenita rellenó con magma que emergió del fondo lunar a través de grietas.

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: Composición de la Luna (este)

2) Legado II: Origen de la Luna

3) Legado III: Datación por densidad de craterización. Calibrado. Bombardeo masivo tardío.

4) Legado IV: Estructura del interior lunar

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

Geología de la Luna

El aspecto más característico de la Luna es el contraste de zonas claras y oscuras. Las zonas claras son las tierras altas y reciben el nombre de terrae (tierras) y las planicies más oscuras llamadas maria (mares). Nombres dados por Johannes Kepler aunque desde mucho antes del Apolo sabemos que los mares son zonas planas de lava y sin agua.

En la cara visible hay mares (2/5) y tierras altas (3/5). En la cara oculta sólo tierras altas y pocos y muy pequeños mares. La mayoría de los científicos cree que esta asimetría está causada porque la corteza de las tierras altas es más espesa en el lado opuesto dificultando el ascenso del basalto hasta la superficie.

Los maria

Los maria lunares son planicies extensas, oscuras y basálticas de la superficie lunar. Son fácilmente distinguibles en la superficie de la Luna debido a su color oscuro, ya que reflejan menos la luz del Sol que las zonas lunares altas. La nomenclatura tradicional para la Luna también incluye, según la extensión de los maria, los nombres de Oceanus, Lacus, Palus (pantano) o Sinus aunque tienen una formación similar a los mares. Se mantienen estos nombres por tradición. Antes de ser confirmado por las misiones Apolo, los científicos ya creían que los mares lunares eran planicies de lava provocadas por flujos de lava. El material recogido durante las misiones lunares Apolo confirmaron la sospecha de que estaban formadas de un tipo de roca volcánica llamada basalto.

En los años sesenta, algunos científicos sugirieron que los impactos de asteroides causaron la formación de grandes cuencas produciendo el calentamiento del interior de la Luna y la inundación de las cuencas por lava. Entonces la edad de las cuencas y de las cuencas debe ser similar. La característica visible más importante acerca de la relativa juventud de los mares respecto al terreno circundante es que los mares poseen menos cráteres, lo que supone que han estado menos tiempo expuestos al bombardeo. De hecho, con los datos recogidos en las misiones lunares se sabe que los mares pueden formarse incluso miles de millones de años después de que se formen las cuencas.

Los mares fueron formados por coladas de lava que principalmente llenaron las enormes cuencas de impacto. Aunque se piensa que en la actualidad la Luna no posee ninguna actividad volcánica, sí la tuvo en el pasado. Según estudios, la actividad volcánica de la Luna tomó lugar después de que las tierras altas fueran formadas y después de que la mayor parte del proceso de craterización sucediera, por este motivo, los mares lunares son más recientes que las tierras altas.

Sin embargo no existen los volcanes por donde surgió la lava, sólo se pueden apreciar conos de ceniza asociados con depósitos de manto oscuro que existen en mares y también en las tierras altas. Se sugiere que la lava surgió a lo largo de grietas en algunos casos visibles pero en otros no visibles.

La mayor parte de las erupciones volcánicas que formaron los maria tuvieron lugar a través de fisuras en la superficie lunar. La lava basáltica fue fluyendo a lo largo de diversos períodos, durante milenios, mucho después de que se formaran las cuencas de impacto.

Las tierras altas

Las tierras altas presentan la mayor cantidad de cráteres de impacto desde un diámetro de cerca de un metro hasta 1.000 kilómetros. Antes de que cualquier misión robótica pudiera llegar a la Luna, los científicos pensaban que el origen de algunos de estos cráteres era volcánico, idea que cambió radicalmente con el retorno de muestras de suelo y rocas lunares con las misiones Apolo mostrando claramente el importante rol del proceso de impacto en la formación del terreno. Los impactos ocurren a velocidades cercanas a los 20 km/s (70 000 km/h). En cada impacto ondas de alta presión rebotan al proyectil y el cuerpo impactado, proceso en el cual el proyectil (un meteorito) es destruido por la onda de choque haciendo que se evaporice casi en su totalidad. El material del cuerpo impactado es comprimido fuertemente y descomprimido brevemente después. Una porción de este material es evaporizado y otra parte es derretida, pero la mayor parte (una masa 10.000 veces superior a la del meteorito) es expulsada fuera del cráter formando el anillo que lo rodea. La parte central del cráter es un área más deprimida que el resto del terreno. Una pequeña parte del cuerpo impactado es expulsada a grandes distancias dando lugar a unas figuras que se asemejan a líneas rectas llamadas radios.

La diferencia con las calderas volcánicas o conos de cenizas es que no tienen anillos de material acumulado y sus cimas están por encima del nivel de la superficie.

Origen de los cráteres

Los geólogos mucho antes del proyecto Apolo creían que los cráteres lunares eran de origen volcánico. La razón era que en la Tierra los cráteres eran volcánicos pues los cráteres de impacto habían sido borrados por el dinamismo terrestre. Imponer la idea de que los cráteres lunares eran de impacto le costó tiempo y algún disgusto al geólogo Eugene Shoemaker. Éste estaba claramente involucrado en el programa Ranger de misiones a la Luna que mostró que la Luna estaba llena de cráteres de impacto de todos los tamaños. En su doctorado en ciencias físicas en la Universidad de Princeton el Dr. Gene Shoemaker demostró que el Cráter Meteor en Arizona se produjo por el impacto de un meteorito. Encontró un anillo de material arrojado. Los anillos concéntricos y los rayos son típicos en cráteres de impacto jóvenes. En 1969, en Caltech empezó una búsqueda sistemática de asteroides que cruzan la órbita de la Tierra. Se produjo el descubrimiento de varias familias de tales asteroides incluidos los asteroides Apolo.

El Dr. Shoemaker también participaba en el entrenamiento de los astronautas estadounidenses del programa Apolo y tenía el sueño de poder ser uno de ellos. El 24 de marzo de 1993, descubrió junto con su esposa Carolyn Jean Spellmann y el astrónomo David Levy el Cometa Shoemaker-Levy 9. Una año antes en julio de 1992 la órbita del SL9 atravesó el límite de Roche de Júpiter (distancia mínima en que la diferencia de fuerzas de atracción entre dos puntos del objeto supera la cohesión causando la destrucción del objeto) y las fuerzas de marea destrozaron el cometa, que posteriormente fue observado como una serie de fragmentos de hasta 2 km de diámetro, en órbita inestable alrededor de Júpiter. Shoemaker murió en un accidente de automóvil en Alice Springs, Australia 18 de julio de 1997. Algunas de sus cenizas fueron llevadas a la Luna por la sonda espacial Lunar Prospector siendo de momento la única persona que descansa en la Luna.

Depósitos de manto oscuro

Otro tipo de depósito existente tanto en los mares como en las tierras altas, son los depósitos de manto oscuro. Son similares a los volcanes. Estos depósitos no pueden ser vistos a simple vista sino con la ayuda de telescopios o la cercanía de naves espaciales. Antes de las misiones Apolo, los científicos creían que se trataba de depósitos producidos por erupciones piroclásticas. Algunos depósitos parecen estar asociados con conos de cenizas oscuros y anchos reforzando la idea de las erupciones piroclásticas, posteriormente confirmadas por el hallazgo de perlas de vidrio como las que se encuentran en las erupciones piroclásticas de la Tierra.

El regolito

La superficie de la Luna es de color gris y presenta una gran cantidad de fino sedimento producto de los innumerables impactos de meteoritos. Este polvo recibe el nombre de regolito lunar, un término acuñado para describir las capas de sedimento producidas por efectos mecánicos sobre las superficies de los planetas. El espesor del regolito varía de 2 metros en los mares más jóvenes hasta unos 20 metros en las superficies más antiguas de las tierras altas.

El regolito está formado por el material rocoso de la región en donde se encuentre, pero además contiene restos de material expulsado por impactos lejanos, por lo cual el regolito constituye una roca de gran valor científico.

El regolito contiene rocas, fragmentos de minerales derivados del lecho de roca original, partículas vidriosas formadas por los impactos. En la mayor parte del regolito lunar, la mitad de las partículas están compuestas de fragmentos minerales que están unidos por vidrios de impacto; estos objetos se llaman aglutinados. La composición química del regolito varía de acuerdo a su ubicación; el regolito en las tierras altas, como sus rocas, es rico en aluminio. El regolito en los mares es rico en hierro y magnesio, como las rocas basálticas.

El regolito lunar es también muy importante porque almacena la información de la historia solar. Las partículas que forman al viento solar, compuesto principalmente de átomos de helio, neón, carbono y nitrógeno golpean la superficie lunar y se insertan en los granos minerales. Al analizar la composición del regolito, especialmente su composición isotópica es posible determinar si la actividad del Sol ha cambiado con el tiempo.

Los gases del viento solar podrían ser útiles para futuras bases lunares, ya que el oxígeno y el hidrógeno (agua), carbono y nitrógeno son de gran utilidad en la vida y para la elaboración de combustible. Al respecto es especialmente importante la existencia de grandes cantidades de Helio-3, que podrían utilizarse como material energético combustible en generadores de fusión nuclear, hoy en día aún inexistentes y un sueño para la humanidad: energía nuclear limpia.

Existe una gran cantidad de oxígeno almacenado en el regolito en forma de dióxido de silicio (SiO₂), minerales de las rocas lunares, óxidos de calcio (CaO), hierro (FeO) y magnesio (MgO). Cerca del 43% de la masa del suelo es oxígeno.

Tabla En los basaltos de la Tierra hay óxido de potasio (K₂O) en (0,65%) y anhídrido fosfórico (P₂O₅) en (0,14%). Estos productos también se hallan en la Luna pero desconozco la proporción en Maria y Tierras Altas y por eso no figuran.

Abundancias minerales en las rocas lunares

Las rocas poseen características muy similares a las rocas de la Tierra, especialmente en cuanto a la proporción de los isótopos de oxígeno. Las rocas de la Luna no contienen elementos químicos volátiles tales como potasio y sodio. Los análisis de hace 50 años la hacían carecer completamente de agua, pero análisis recientes han encontrado trazas. En cuanto al  hierro, las tierras altas tienden a ser relativamente pobres mientras los basaltos de los mares contienen cantidades significativas especialmente el Océano de las Tormentas.

Feldespato: Mineral que es un silicato de aluminio, calcio y en la Tierra potasio y sodio. Forma las rocas endógenas (provenientes del interior del planeta) y metamórficas (han sufrido cambios físicos o químicos debidos a la presión, temperatura, etc. existentes en el interior del planeta). Las numerosas variedades de feldespato se clasifican en dos grupos los feldespatos potásicos (inexistentes en la Luna) y plagioclasa entre ellos está la anortosita((CaAl₂Si₂O₈) una roca ígnea blanco-grisácea transparente donde abundan el calcio (Ca) y el aluminio (Al). Flotaba en el océano de magma después de la cristalización y forma actualmente la corteza lunar de las tierras altas.

Piroxeno: Silicato que contiene hierro (Fe), magnesio (Mg) y calcio (Ca) y son uno de los constituyentes de las rocas. De fórmula (Ca, Mg,Fe)Si O₃. Pueden cristalizar en los sistemas rómbico o clinorómbico. Los piroxenos con hierro suelen ser oscuros, marrones, grises o incluso verde claro. Las muestras lunares contienen mucho piroxeno sobre todo la de los basaltos de los mares, siendo los granos usualmente más alargados en los mares y algo más cuadrados en las tierras altas.

Olivino: Silicato de hierro (Fe) y magnesio (Mg) de fórmula (Mg,Fe)₂SiO₄ de color verde y de brillo vítreo, cuyos cristales se encuentran en las rocas eruptivas. Cristaliza en el sistema rómbico.

Ilmenita: Óxido de hierro (Fe) y titanio (Ti), de fórmula Fe,TiO₃ que se encuentra en las rocas eruptivas en forma de laminillas brillantes de color negro. Cristaliza en el sistema rómbico. No se encuentra en las tierras altas pero sí en los basaltos de los mares lunares. El Apolo XI se encontró con basaltos con alto contenido en ilmenita y por tanto en titanio. Dicha proporción se rebajó en el Apolo XII y se redujo aún más en las muestras de las siguientes misiones y en el regolito traído por las sondas soviéticas.

Fig. 1 Ubicación de algunos tipos de rocas traídas por los astronautas del programa Apolo.

 Las tierras altas contienen, aparte de la anortosita, otro tipo de rocas ígneas como las noritas y las troctolitas, rocas formadas por cantidades iguales de plagioclasa y olivino o piroxeno (siendo ambos minerales de silicatos que contienen hierro y magnesio). La datación radiométrica de estas rocas sugiere que son más jóvenes que las anortositas que fueron formadas después que el océano de magma se había cristalizado.

Las rocas de las tierras altas son además bastante complejas debido al proceso de craterización. La mayoría de estas rocas son complejas mezclas de otras. Las rocas originales fueron derretidas, mezcladas, e impactadas durante los primeros 500 millones de años de la Luna. Estas rocas se llaman brechas. La mayor parte de las anortositas, noritas y troctolitas son en realidad fragmentos de rocas dentro de brechas.

Muchas brechas y algunas rocas ígneas están enriquecidas con un conjunto de elementos que no son comunes en la Tierra. Su presencia se origina cuando el magma se cristaliza, y la parte que todavía está líquida se va enriqueciendo progresivamente de estos elementos llamados KREEP, (por los símbolos del potasio, fósforo y elementos de las Tierras Raras, del inglés Rare-Earth Elements (REE)). Actualmente se cree que los KREEPs representan los últimos restos de la cristalización del magma de océano. Grandes impactos excavaron la corteza expulsando el material inferior mezclándolo con otros escombros y formando brechas KREEP.

Bibliografía:

• Wikipedia en castellano e inglés de muchos temas siendo los fundamentales:Geología de la Luna, Mar lunar, Roca lunar
• Diccionario Larousse científico

Legado del programa Apolo (0)

Justificación personal 

Se ha celebrado hace poco el 50 aniversario de la llegada del hombre a la Luna. Con tal motivo he decidido exponer en Twitter las fotografías de los recortes de periódico del histórico vuelo del Apolo XI que ocurrió del 16 al 24 de julio de 1969. Lo viví con 17 años y empezando mi carrera de Físicas. No fue este hito histórico lo que marcó mi vida. Estaba ya marcada por el inicio de la exploración espacial en 1957. Veía en mi pueblo de Beniopa (hoy anexionado a Gandía) los satélites artificiales pasar de oeste a este, de Marxuquera hacia Gandía. Luego vinieron los primeros vuelos tripulados de Gagarin, Titov, Glenn, Carpenter, que seguía en un viejo aparato de radio. Exploraba con avidez las primeras páginas del Atlas de Geografía donde había una pequeña introducción a la Astronomía en un contexto familiar donde nadie me podía ayudar. Quería saber qué cambiaba en la atmósfera para que empezase a llover. Fundamental conocer a mi amigo y compañero de estudios Paco Burguera a los 11 años y a mi profesor de Física y Química y luego compañero de Seminario D. José Merí en 3 de Bachiller, hasta el final de éste, de sus problemas sobre calcular la velocidad de una nave espacial en órbita baja alrededor de la Tierra. En este contexto en 1959, empecé a recoger, copiando primero y pegando después, lo que los periódicos publicaban. Hasta hoy, sólo que desde hace unos años de Internet. Me interesé, en mi adolescencia, por la Astronáutica, la Astronomía, la Meteorología. Es decir la Ciencia.

Generalidades:

1) Contexto histórico

A finales de los años 50 y en la década de los 60, cuando se desarrolla el inicio de la exploración espacial, había una sórdida Guerra fría entre la Unión Soviética que representaba el comunismo y el mundo occidental dirigido por EEUU que representaba al capitalismo y la democracia. Esto era así desde el final de la II Guerra Mundial en que fueron aliados. La pelea se establece en todos los ámbitos pero fundamentalmente en el militar y científico. Europa se halla dividida entre los dos bloques, cada uno de los cuales establece un brazo militar entre sus “aliados”. En 1956 Fidel Castro inicia una revuelta militar contra el corrupto régimen de Batista y Cuba pasa de ser del “casino de juego” de los americanos al aliado de la Unión Soviética. Una afrenta en el patio trasero que el imperialismo americano no pudo consentir.

Cada bloque se empeñaba en demostrar que su sistema político y social era el mejor. La propaganda hacía hincapié en sus éxitos militares y científicos. Primera bomba atómica de fisión, de fusión (bomba H), misiles intercontinentales, y como no la carrera espacial. Se repartieron los técnicos de la Alemania nazi que habían logrado avances  en los cohetes como la famosa V2. Werher von Braun fue el jefe de diseño de los cohetes V2 alemán como del Saturno V que llevó al hombre a la Luna. Pese a los más de 50 años transcurridos el Saturno V no ha sido superado.

2) Breve resumen de la carrera espacial

La Unión Soviética dio primero, consiguiendo, en 1957 el lanzamiento y puesta en órbita del Sputnik I, el lanzamiento del primer ser vivo (Laika, Sputnik II), la primera nave que impacto con la Luna en 1959 (Luna II), la primera que fotografió la cara oculta de la Luna (Luna III, 1959), el primero en conseguir poner un ser humano en órbita y devolverlo sano y salvo a la Tierra (Vostok 1, Yuri Gagarin,12 de abril de 1961). Diez meses después el 22 febrero de 1962, lo lograría EEUU con John Glenn y la cápsula Amistad 7 del proyecto Mercury. 

El 25 de mayo de 1961, apenas un mes después del vuelo de Yuri Gagarin y cuando EEUU aún no había puesto un hombre en órbita, John F. Kennedy delante del Congreso y Senado de los EEUU se comprometió a lograr que un hombre vaya a la Luna y regrese sano a la Tierra antes del fin de esta década. No había nada de un proyecto científico, era un reto tecnológico y un nuevo frente de confrontación con el otro bloque. 

La Unión Soviética era la primera en la carrera espacial pero la tecnología de EEUU estaba más adelantada. Aún así en enero de 1966 el Luna IX fue el primero en aterrizar suavemente en el Océano de las Tormentas mediante un sistema de airbag y trasmitir fotos a la Tierra. EEUU lo logró con el Surveyor I en mayo de 1966. Puso una nave en órbita de  la Luna (Luna X ) en marzo de 1966 y EEUU lo logró con el Lunar Orbiter I en agosto de 1966. En el programa espacial tripulado tras el proyecto Vostok y Mercury de un hombre sólo, vino el Voshod y Gemini respectivamente. Voshod I (12 octubre de 1964) fue una cápsula con tres tripulantes en mangas de camisa (sin traje espacial) y Voshod II en marzo de 1965 con dos cosmonautas se caracteriza por el primer paseo espacial efectuado por Alexei Leonov, algo que los EEUU logró con el Gemini IV en junio del mismo año con Edward White. Pero mientras el programa Voshod acaba aquí el programa Gemini efectúa diez vuelos tripulados (Gemini III al Gemini XII) donde se efectúan largas permanencias y citas espaciales y acaba en noviembre de 1966 convirtiendo los vuelos tripulados casi en una rutina. La Unión Soviética inaugura el programa Soyuz (que significa Unión) en abril del 1967 con un desastre: Vladimir Komarov muere al regresar al fallar el paracaídas. Tuvo otros problemas durante el vuelo espacial y todas las naves no tripuladas tipo Soyuz pero bautizadas Cosmos, lanzadas previamente fallaron estrepitosamente. Un año y medio después se lanza el Soyuz II sin tripulación que debía acoplarse con el Soyuz III que tripulaba el cosmonauta Georgi Beregovoi. A partir de aquí la Unión Soviética dedica sus naves Soyuz a vuelos entre ellas, logrando la Soyuz IV y V (enero 1969) la primera unión de dos naves tripuladas con intercambio de la tripulación. La versión lunar de la Soyuz, las naves Zond nunca fueron tripuladas. Desde las misiones Zond 4 (marzo 1968) a la Zond 8 (octubre 1970) fueron vuelos circumlunares de regreso libre sin entrar en órbita lunar.

El programa Apolo se inicia con un desastre, el Apolo 1 que debía lanzarse el 21 de febrero de 1967 sufre un incendio en la rampa de lanzamiento el 27 de enero y los tres tripulantes Virgil Grissom, Edward White y el novato Roger Chaffee mueren carbonizados. La comisión del accidente replantea todo y los vuelos tripulados Apolo se suspendieron durante 20 meses. El Apolo V con la nueva nave fue lanzado sin tripulación en enero de 1968 y la primera nave tripulada alrededor de la Tierra lanzada por el Saturno IB fue lanzada en octubre de 1968. En una opción arriesgada el Apolo VIII con los módulos de mando y servicio y sin el módulo lunar fueron lanzados a la Luna por el Saturno V (usado por primera vez) en diciembre de 1968.  Tras ponerse en órbita lunar y dar 10 vueltas en 20 horas encendió los motores para salir de la órbita lunar y volver a la Tierra.  Tras este vuelo estaba claro quién ganaba la carrera.

Fig. 1 El astronauta del Apolo VIII William Anders tomó esta fotografía de la Tierra sobre el horizonte lunar.

El Apolo IX fue lanzado en marzo de 1969 en órbita alrededor de la Tierra pero incluía por primera vez al módulo lunar.  Se hicieron maniobras críticas de ensamblaje entre el módulo de mando y lunar indispensables para el aterrizaje en la Luna. El Apolo X en mayo de 1969, fue el ensayo general para el aterrizaje en la Luna. Hizo el mismo viaje del Apolo XI hasta separar el módulo lunar del módulo de mando y descenderlo a una órbita a sólo 15 km. de la Luna, pero, sin descender a la Luna. Luego puso el motor de ascenso para acoplarse al módulo de mando en órbita a unos 100 km. de la Luna. Luego vino el Apolo XI que hemos recreado mediante tuits, cada uno de los 8 días, en su 50 aniversario y que logró 22 kg. de regolito y roca. Su análisis permitió saber que la Luna se había creado en caliente en la asamblea de Houston de enero de 1970. Del Apolo XII al Apolo XVII hubo 5 descensos más en la Luna pues el Apolo XIII tuvo un accidente y hubo que cancelar el aterrizaje lunar. Mientras iba hacia la Luna estalló el módulo de servicio y los astronautas en trayectoria de libre retorno se tuvieron que refugiar, hasta el último momento, en el módulo lunar. Un problema de supervivencia digno de ser recordado y lo fue en una célebre película.

Fig. 2 El Apolo XII efectuó un aterrizaje de precisión para posarse lo más cerca del Surveyor III. Charles Conrad retira algunos elementos de la cámara y se los trajo a la Tierra.

En estos cinco descensos las estancias en la Luna, el número de paseos y su duración fueron mayores y los astronautas del Apolo XV al Apolo XVII usaron un Vehículo de Exploración Lunar (LRV) que amplió la zona de exploración. Además la zona de alunizaje abandonó los lugares fáciles y monótonos relativamente llanos para ir a la cordillera de los Apeninos y Grieta de Hadley (Apolo XV) Tierras altas de Descartes y Formación Cayley (Apolo XVI) Valle Taurus-Littrow (Apolo XVII).

Fig. 3 El astronauta Harrison Schmitt de Apolo XVII  aparece junto al LRV

Fig. 4  Harrison Schmitt aparece junto a una gran roca durante su 3r paseo lunar (EVA 3).

Los aterrizajes en la Luna se extendieron desde julio del 69 a diciembre del 1972. El último Apolo estuvo 75 horas en la Luna y efectuaron tres paseos con una duración total de 22 horas. De los doce astronautas que pisaron la Luna el único científico fue Harrison Schmitt que pertenece a la última misión. Ellos sólos, recogieron 110,5 kg. de muestras y el total de los seis vuelos a la Luna es de 382 kg. recogidos durante un total de 81,5 horas de trabajo de cada uno de los dos astronautas.

Se suspendieron los vuelos del Apolo XVIII al Apolo XX para dedicar estas naves Apolo a un programa de colaboración con los soviéticos: el famoso vuelo Apolo- Soyuz y a la estación espacial Skylab hecha con la tercera fase del Saturno V. Los soviéticos no habían llevado hombres a la Luna pero habían desarrollado mucho el programa de estaciones espaciales.

Finalmente los soviéticos lograron traer 101 gr. de muestras lunares con el vehículo no tripulado Luna XVI en septiembre de 1970 y pasear los vehículos por la Luna con el Lunajod I y II que viajaron con el Luna XVII y Luna XXI. El Luna XXIV de agosto de 1976 fue la tercera misión de recogida de muestras lunares y la última. Los americanos recogieron kilogramos los soviéticos gramos.

3) Conocimiento de la Luna antes del programa Apolo 

De la Luna, conocida desde la más remota antigüedad, se ignoraba casi todo. Apenas se conocía el tiempo de revolución alrededor de la Tierra que coincidía con el movimiento de rotación y por eso presenta la misma cara a la Tierra, sus fases, la geografía lunar, su tamaño, distancia, y sus complejos movimientos orbitales. Eratóstenes midió (siglo II a.C.) el tamaño de la Tierra, Hiparco (siglo I aC.) la distancia a la Luna que cifró en 60 radios terrestres y conocido el tamaño angular coincidente por casualidad con el solar (½º) el radio real de la Luna: unos 1.700 km. A la rara coincidencia angular de los radios del Sol y de la Luna se debe que un eclipse de Sol pueda ser total. No obstante la Luna describe una elipse alrededor de la Tierra y cuando está más alejada su diámetro angular puede ser menor que el solar y ser el eclipse anular. El periodo sinódico (una órbita a la Tierra respecto al Sol) de 29,5 días, es conocido desde la antigüedad y en él se basan los calendarios lunares así como sus fases. También era conocido el periodo sideral (una órbita a la Tierra respecto punto fijo de la órbita) es de 27 y 1/3 días. Otra cosa que costó mucho más es su movimiento orbital. El sistema Tierra-Luna es un sistema doble pues la Luna con una masa de 1/81 la masa terrestre es desproporcionadamente grande y en el movimiento lunar influye tanto la Tierra como el Sol, un problema de tres cuerpos difícil de resolver. Es necesario tener en cuenta 1.475 irregularidades para conocer  con precisión el movimiento lunar. Extraordinarias eminencias del siglo XVII al XX estudiaron dicho movimiento.

Hacia 1609 Galileo observó la Luna con el recién descubierto telescopio y aunque no fue el primero, supo observar las sombras de los accidentes orográficos descubriendo que la Luna era como la Tierra con sus montañas, valles, etc. Fue el primero en determinar la altura de estas montañas. Las observaciones telescópicas lograron conocer con precisión la geografía de los mares y zonas altas de la cara visible que gracias a las libraciones (diferencias del movimiento de rotación de la Luna que es uniforme y del movimiento orbital que sigue en primer orden la segunda ley de Kepler) es el 59% del total.

Como hemos dicho en 1959 el Luna III soviético fotografió la cara oculta de la Luna. La dicotomía entre ambas caras es un problema más a resolver.

Fig. 5 A la izquierda la cara visible con sus mares (zonas oscuras) y sus tierras altas (zonas blancas).  A la derecha la cara no visible donde casi no hay mares.

Pero nada se sabía del origen de la Luna, su edad, de la naturaleza de los cráteres, de su historia geológica, su composición interior. Había tres teorías sobre su origen: la acreción suponía que se había formado como los planetas o satélites de los planetas gigantes a partir de un disco de acreción que rodeó a un Sol primitivo y en formación o de un subdisco de acreción planetario como el que rodeaba a los planetas gigantes. La segunda decía que su origen fue por fisión de una Tierra fundida que giraba rápidamente y su fuerza centrífuga dejo escapar por el ecuador el material del que se formó la Luna. La tercera que fue capturada por la Tierra de entre los cuerpos que se acercaron demasiado a la Tierra en una época temprana. La cara visible  de la Luna está ocupada en su mayor parte por los maria  (“mares") más oscuros y llanos ¿cuál era su origen? Los cráteres que salpicaban su superficie eran de origen volcánico o impactos de asteroides y meteoritos. La opinión de los científicos se dividía al 50%. ¿Se había formado en frío (menos de 300 ºC) por acreción o había tenido un origen cálido con su corteza fundida? La opinión dominante en aquellos momentos es que en al igual que los planetas y otros cuerpos rocosos se formó por acreción es decir por la acumulación de materia durante cientos de millones de años de progresivo enfriamiento.
Rick Carlson, geoquímico y director del departamento de magnetismo terrestre del Instituto Carnegie para la Ciencia dice: Antes del Apolo, la visión dominante sobre la Luna era que estaba compuesta de material primitivo datado en los primeros tiempos de la formación del Sistema Solar. Se formó en frío y sólo estaba fundida localmente por el impacto de algún gran meteorito. Para resolverlo hacían falta muestras lunares. Veremos que la presencia de anortosita una roca formada cuando el magma se enfría y solidifica, entre las rocas del Apolo XI cuando este aterrizó en una zona del Mar de la Tranquilidad. Se esperaban, como así ocurrió, basaltos oscuros formados tras la solidificación de lava líquida, pero la anortosita  llevaba a una formación en caliente. La Teoría de la Gran Impacto sobre el origen lunar es también un legado del Apolo y es de un poco más tarde, 1975 apenas tres años tras terminar el Programa Apolo. Viene a reforzar la formación en caliente.
Pero, ¿cuál era su edad? ¿tenía tanta edad como la Tierra? Los astrónomos habían conseguido datar localmente las regiones lunares según su craterización. Un lugar con pocos cráteres era geológicamente joven. A medida de era más viejo, aumentaba la densidad de cráteres de un determinado tamaño y si era muy viejo, estaba saturado de cráteres y la formación de un nuevo cráter destruía uno antiguo. Estaba claro que en superficies craterizadas, si la edad era superior al límite de saturación, entonces, la edad estaba indeterminada. Además la escala era cualitativa, faltaba calibrar y la forma de hacerlo era traer muestras y datarlas mediante desintegración radioactiva. Eso es lo que hizo el Apolo.
Respecto a su estructura interior el desconocimiento era total: ¿tenía un núcleo metálico como la Tierra o por el contrario estaba hecha sólo de roca? Para conocer la estructura del interior de la Tierra los científicos han usado los terremotos como fuente de información y la medida del flujo de calor. Los astronautas del Apolo siguieron un método similar observando los seísmos lunares medidos por los sismómetros dejados por las seis misiones del Apolo, haciendo estallar explosivos sobre la superficie o provocando seísmos artificiales haciendo chocar contra la Luna la tercera fase del Saturno V o la parte de ascenso del módulo lunar. Hasta que fueron apagados por falta de presupuesto al final de la década de los 70 se detectaron más de 12.000 seísmos lunares.  De ellos unos 7.000 ocurrieron en el interior profundo de la Luna, y el resto producido por impactos de meteoritos o derrumbes en la superficie de la Luna. Ya hemos visto esto en el articulo Los astronautas del Apolo y el sondeo sísmico lunar. Ahora (Legado IV) destacaremos cómo se averiguó la estructura interior de la Luna. Adelantemos un resultado importante: la Luna tiene un pequeño núcleo de hierro de  340 km de radio.

Fig. 6 El astronauta Buzz Aldrin del Apolo XI instalando el sismómetro.

Ahora Mars Insight está intentando con un sismómetro mucho más sensible que los del Apolo y con una perforación que, de momento, tiene serios problemas, determinar el flujo de calor para saber algo de la estructura interna de Marte. Lo hemos visto en Flujo de calor interno de la Tierra y Marte .
Si hemos hablado del origen es bastante sensato que hablemos de su futuro. Los reflectores dejados por los Apolos y los dos reflectores láser de los Lunajod soviéticos siguen funcionando. Permiten calcular la distancia de la Tierra a la Luna enviando un haz láser y haciéndolo rebotar en el espejo. Así el tiempo que tarda en hacer el viaje de ida y vuelta permite saber la distancia. También permite la localización precisa de los lugares de aterrizaje. La Luna gira en una órbita elíptica de distancia media a=384.403 km de la Tierra, acercándose hasta los 363.299 km. y alejándose 405.507 km.
Pero aparte, hay un aumento de la distancia media en 3,8 cm cada año. Es decir la Luna se aleja con el tiempo. Este no es un resultado sorprendente. Los resultados de los reflectores no hacen sino confirmar un resultado que es un fruto de física elemental. El sistema Tierra-Luna es un sistema aislado que conserva el momento cinético.
Las mareas causadas por la Luna y en menor medida el Sol, es el factor principal, aunque no el único, que causa el frenado en la rotación de la Tierra. Las mareas en la Tierra son una fuerza diferencial causada por la diferente distancia a la Luna. La Luna atrae con fuerza desigual el agua de los mares de la Tierra en la dirección Tierra-Luna que el propio centro de la Tierra más lejano, causando un bulbo en la dirección Tierra-Luna. Por extraño que parezca en sentido contrario de la dirección Tierra-Luna también hay un bulbo. En este caso, la  causa es que el agua, debido a su mayor lejanía con el centro de la Tierra, es menos atraída por la Luna. El bulbo crea la pleamar cada 12 horas debido a la rotación de la Tierra.

Fig. 7 Formación de la protuberancia debida a la marea. El bulbo cercano al cuerpo perturbador se debe a que la parte cercana al cuerpo perturbador es más atraída que el centro del cuerpo perturbado. El bulbo lejano se debe a que la parte lejana es menos atraída que el centro.

La atracción mareal de la Luna frena la rotación de la Tierra, con una tasa ahora de 1 segundo cada 62.000 años o 16 segundos por millón de años o 0,000016 segundos cada año. Ello causa una disminución del momento cinético de la Tierra y un aumento del momento cinético orbital de la Luna y su alejamiento. Hay evidencias muy fuertes de ello. Gracias a los corales se sabe que hace 600 millones de años el año constaba de 423 días. La duración del día terrestre era de 20h y ¾ . En el Período Devónico hace unos 400 millones de años el día terrestre duraba 21 horas y ¾ y la Luna estaba a una distancia a la Tierra que era la mitad de la actual.
La Luna se creó entre 40 y 100 millones de años tras la formación del Sistema Solar (hace unos 4.500 millones de años) probablemente a unos 1.500 km. de la superficie de la Tierra y cuando el día en la Tierra duraba 5 horas.
La Tierra también ejerce mareas sobre la Luna. La fricción debida a esas mareas frenó la rotación de la Luna, provocando que ésta presente siempre la misma cara hacia la Tierra.  La órbita de la Luna se llama sincrónica porque dura lo mismo su periodo orbital y el de rotación. Este es motivo de que la Luna presente siempre la misma cara a la Tierra.
El día en la Tierra continuará alargando y la Luna alejándose hasta que la Tierra presente siempre la misma cara a la Luna y se invierta el proceso. Entonces la Luna estará a 558.600 km. de la Tierra y el día en la Tierra durará 47 días. El tiempo para que ello ocurra supera la edad actual del Universo.
La Tierra (5,97×10²⁴ kg) gira alrededor del Sol (1,99×10³º kg) a una distancia de 149,6 ×10⁶ km. La esfera gravitatoria de la Tierra se extiende a aproximadamente 1,5 ×10⁶ km (0,01 U.A.). Como la órbita de la Luna está a una distancia de 0,384 ×10⁶ km. de la Tierra, la Luna se encuentra cómoda dentro de la esfera gravitatoria de influencia de la Tierra y no está en riesgo de colocarse en una órbita independiente alrededor del Sol pues está 4 veces más cerca de la zona peligrosa. Si se aleja hasta 0,5586×10⁶km de la Tierra estará todavía muy dentro del campo gravitatorio de la Tierra y por tanto ¡siempre será un satélite de la Tierra! Sin embargo, mucho antes de que esto ocurra, el Sol en unos 6.000 millones de años se habrá convertido en gigante roja y probablemente destruya el sistema Tierra-Luna.
No habrá civilización ni vida que lo vea, pues mucho antes, la Tierra habrá salido de la Zona Habitable del Sistema Solar. Esto se debe a que el Sol aumenta su luminosidad con el paso del tiempo. En los próximos 1.000 millones de años el Sol habrá alcanzado una luminosidad un 10% superior a la actual y la temperatura en la Tierra hará que se inicie un proceso invernadero desbocado (como Venus) que evaporará los mares, aumentará la presión atmosférica y la temperatura aún más y la Tierra se volverá inhabitable.
En aproximadamente la mitad del tiempo para que la Tierra se convierta en no habitable (unos 500 millones de años) el punto más cercano de la órbita lunar estará a suficiente distancia como para no tapar completamente al Sol en su punto más lejano.  Los eclipses solares dejaran de ser totales para convertirse en eclipses anulares.

Resumen

Probablemente un lector generalista no necesita más. Saber que gracias al Apolo y sus muestras de roca conocemos que la Luna se formó en caliente y que fue fruto de una gran colisión entre una prototierra y un protoplaneta del tamaño de Marte. Que ello ocurrió hace 4.500 millones de años. Que los cráteres son de impacto estando ausentes los de origen volcánico, si bien los mares son de lava solidificada. Que gracias a la datación de las rocas se ha podido calibrar la escala de densidad de craterización y datar todas las regiones lunares. Que gracias a los experimentos con los sismómetros se ha logrado saber la estructura interna de la Luna, siendo el único cuerpo junto con la Tierra del que conocemos su estructura. Respecto a la dicotomía de las dos caras es  lo que menos se conoce: Hay dos teorías. La primera hace referencia a que las mareas de la Tierra desplazaron ligeramente su centro de masas del centro geométrico. Ello causó que la corteza del lado oculto sea más gruesa que la de la cara visible e impidiendo a la lava desparramarse y causar los mares. La segunda hace mención a que durante su formación se formó una segunda luna, más pequeña que acabó chocando con la Luna en su cara no visible, esparciendo sobre ella sus restos y haciendo que se corteza se hiciera más gruesa. La Luna a pesar de que se aleja de la Tierra 3,8 cm por año nunca dejará de ser satélite de la Tierra. Se alejará a poco más de medio millón de km. cuando el campo gravitatorio terrestre tiene millón y medio de km. Mucho antes de que esto ocurra, en 6.000 millones de años, el Sol convertido en gigante roja habrá quizá destruido el sistema Tierra-Luna. Nadie la verá pues en 1.000 millones de años la Tierra se convertirá en un lugar inhabitable. En la mitad de ese tiempo los eclipses solares totales serán historia.
Sin embargo si quieres conocer más detalles publicaré cinco artículos sobre cada uno de estos temas, con una cadencia de aproximadamente una semana.

1) Legado I: Composición de la Luna

2) Legado II: Origen de la Luna

3) Legado III: Datación por densidad de craterización. Calibrado. Bombardeo masivo tardío.

4) Legado IV: Estructura del interior lunar

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

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)