La crisis de la teoría clásica del origen de la luna.

Décadas después de que los científicos parecen estar de acuerdo con una teoría, la nueva evidencia de la posible forma de la aparición de la Luna parece contradecirla

Impresión artística de synaestia , un objeto hipotético que consiste en una piedra vaporizada que puede haber engendrado la luna

El 13 de diciembre de 1972, el astronauta del Apolo 17 Harrison Schmitt se acercó a una roca en el Mar de la Tranquilidad lunar. "Esta roca tiene un sendero que corre directamente desde la colina", le dijo a su comandante, Eugene Cernan, señalando las marcas dejadas por la piedra que bajaba por la pendiente. Cernan se inclinó para recoger las muestras y le sugirió a Schmitt que imaginara lo que sucedería si se interpusieran en el camino de esta piedra antes de que rodara por la pendiente.

"No me gustaría pensar en eso", dijo Schmitt.

Los astronautas cortaron trozos de la luna de una roca. Luego, usando el rastrillo Schmitt, raspó la superficie polvorienta, levantó la piedra, luego llamada troctolita 76536 del regolito, y la convirtió en historia.

Esta piedra y su hermano de roca contarán la historia de cómo apareció la luna entera. En esta historia de creación, descrita en innumerables libros de texto y explicaciones de exhibiciones de museos en las últimas cuatro décadas, la Luna nació en una desastrosa colisión de una Tierra germinal y un mundo rocoso del tamaño de Marte. El segundo mundo se llamaba Thea, en honor a la diosa griega que dio a luz a Selena, es decir. La luna Thea golpeó la Tierra con tal velocidad y poder que ambos mundos se derritieron. Los restos de los restos de Thei se han enfriado y endurecido, convirtiéndose en nuestro compañero plateado.

Las mediciones modernas de la troctolita 76536 y otras piedras de la luna y Marte han generado dudas sobre esta historia. En los últimos cinco años, una serie de investigaciones ha revelado un problema: la hipótesis canónica de la formación de shock se basa en suposiciones que no corresponden a los hechos. Si Thea golpeó la Tierra, y luego formó la Luna, entonces la Luna debería consistir en el mismo material que Thea. Pero la luna no se parece a Thea, ni a Marte. Hasta los átomos, se ve casi exactamente como la Tierra.


Astronauta sondea piedras en la luna

Habiendo encontrado esta discrepancia, los investigadores de la Luna comenzaron a buscar nuevas ideas para entender cómo apareció. La solución más obvia puede ser la más simple, aunque crea otros problemas para comprender las primeras etapas del sistema solar: quizás Thea formó la luna, pero Thea consistía en un material que era casi idéntico a la Tierra. La segunda posibilidad: el proceso de colisión mezcló todo bien, distribuyó de manera uniforme grumos y líquidos, como masa para panqueques. Esto podría suceder en una colisión de energía extremadamente alta, o en una serie de colisiones que engendraron varias lunas que se unieron más tarde. La tercera explicación arroja dudas sobre lo que sabemos sobre los planetas. Es posible que la Tierra y la Luna sufrieran metamorfosis extrañas e hicieran movimientos inusuales en órbita, lo que cambió drásticamente su rotación y su futuro.

Cuatro formas de crear la luna

Con la aparición de problemas en la teoría básica de la aparición de la luna, los científicos arrojaron nuevas teorías sobre su aparición.

Modelo de formación de impacto

Esta teoría clásica, que apareció en la década de 1970, afirma que un adoquín del tamaño de Marte, Thea, estaba golpeando la Tierra joven. Después del impacto, apareció un disco de escombros, que luego se unió a la luna. Pero nuevos estudios han encontrado un conflicto: las simulaciones por computadora sugieren que la luna debería consistir en material similar al material de Thea, y un estudio geoquímico de la luna sugiere que consiste en material similar a la tierra.

Synaestia

Quizás Thea golpeó la Tierra lo suficientemente fuerte como para que ambos objetos se evaporen y formen una nueva estructura cósmica, la sinesia. Una nube giratoria de escombros calientes podría mezclar completamente los materiales de Thei y la Tierra y crear un sistema Tierra / Luna con una geoquímica similar.

Lunas pequeñas

Es posible que en lugar de un golpe grave, ocurrieran muchos relativamente pequeños, cada uno de los cuales creó la luna. En este modelo, cada colisión con un objeto del tamaño de la luna creó un disco de escombros, que gradualmente se reunió en una pequeña luna. Luego, el siguiente golpe agregó escombros, y al final se combinaron en una gran luna.

Choque de gemelos

Quizás la alternativa más simple sería aquella en la que Thea consiste en el mismo material que la Tierra. Pero esta suposición es contraria a la mayoría de nuestras ideas sobre la formación de sistemas planetarios.

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Para comprender lo que podría suceder en el día más memorable de la Tierra, debe comprender la juventud del sistema solar. Hace cuatro mil quinientos millones de años, el sol estaba rodeado por una nube caliente de escombros, como una rosquilla. Los elementos generados en las entrañas de la estrella se movieron alrededor del Sol recién formado, enfriándose y después de las épocas, combinándose, en un proceso que aún no está claro para nosotros, en grumos, luego en planetesimales , luego en planetas cada vez más grandes. Estos cuerpos rocosos chocaron activa y violentamente, vaporizándose entre sí. Fue en este duro billar infernal donde aparecieron la Tierra y la Luna.

Para obtener la Luna actual, con su tamaño, rotación y velocidad de escape de la Tierra, de acuerdo con nuestros mejores modelos de computadora, es necesario que un cuerpo del tamaño de Marte colisione con la Tierra. Cualquier cosa más grande o mucho más pequeña conduciría a la aparición de un sistema con mucho más parecido a un gran momento angular. Un cuerpo más grande también arrojaría demasiado hierro a la órbita de la Tierra y crearía una luna más rica en hierro que la nuestra.

Un momento angular es una cantidad que describe el movimiento y la masa de un objeto giratorio o un sistema de objetos giratorios: una Tierra giratoria, una Luna giratoria, orbitando una Tierra giratoria, etc. El momento del impulso siempre se conserva, es decir, se puede adquirir o perder solo con la intervención de una tercera fuerza.

Los primeros estudios geoquímicos de troctolita 76536 y otras piedras respaldaron esta historia. Mostraron que las piedras lunares deberían haber surgido en el océano de magma lunar, que solo puede crearse mediante la formación de impacto. La troctolita caería en el mar fundido como un iceberg que se separa de la Antártida. En base a limitaciones físicas, los científicos afirmaron que la luna consiste en los restos de Thea. Pero hay un problema.

De vuelta al sistema solar temprano. Después de la colisión y la evaporación de los mundos pedregosos, su contenido se mezcló y finalmente se calmó en ciertas áreas del espacio. Más cerca del sol, donde hace más calor, los elementos ligeros tenían más probabilidades de evaporarse, dejando un exceso de isótopos pesados ​​(variantes de elementos que contienen neutrones adicionales). Más lejos del sol, las piedras lograron contener más agua e isótopos ligeros. Por lo tanto, los científicos pueden estudiar la mezcla de isótopos de un objeto y determinar de qué parte del sistema solar proviene, tal como el énfasis le da a la patria de la persona.


Sarah Stewart, Planetóloga de la Universidad de California, Davis y su alumno Simon Locke de la Universidad de Harvard

Estas diferencias son tan obvias que se usan para clasificar planetas y tipos de meteoritos. Marte, por ejemplo, es tan diferente de la Tierra que sus meteoritos se pueden determinar simplemente midiendo las proporciones de tres isótopos de oxígeno diferentes.

En 2001, utilizando tecnologías avanzadas de espectrometría de masas, los científicos suizos volvieron a medir la troctolita 76536 y otras 30 muestras lunares. Descubrieron que sus isótopos de oxígeno no se distinguían de los terrestres. Desde entonces, los geoquímicos han estudiado titanio, tungsteno, cromo, rubidio, potasio y otros metales raros de la Tierra y la Luna, y en general todo se ve igual.

Estas son malas noticias para Thei. Si Marte es tan obviamente diferente de la Tierra, entonces Thea, y por lo tanto la luna, también deben ser diferentes. Si son iguales, significa que la luna debería haberse formado a partir de los fragmentos fundidos de la Tierra. Las piedras de Apolo contradicen lo que dice la física.

"El modelo canónico se encuentra en una grave crisis", dice Sarah Stuart, científica planetaria de la Universidad de California, Davis. "Todavía no la han matado, pero por el momento no está trabajando".

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Stuart trató de conciliar las limitaciones físicas, la necesidad de un cuerpo en colisión de cierto tamaño, moviéndose a cierta velocidad, con nueva evidencia geoquímica. En 2012, ella y Matija uk, actualmente trabajando en SETI, propusieron un nuevo modelo físico para la formación de la luna. Afirman que la Tierra primitiva rotó rápidamente como un derviche , haciendo una revolución en dos o tres horas cuando Thea chocó con ella. La colisión debería haber llevado a la aparición de un disco alrededor de la Tierra, similar a los anillos de Saturno, pero habría sobrevivido no más de 24 horas. Como resultado, se enfriaría y solidificaría, formando la luna.

Las supercomputadoras no son lo suficientemente potentes como para simular completamente este proceso, pero mostraron que un proyectil que se estrella en un mundo que gira rápidamente puede cortar una parte decente de la Tierra, destruir la mayor parte de Thei y recolectar la Luna y la Tierra con contenidos de isótopos similares de estos fragmentos. Es como tirar un trozo de arcilla que aún no se ha endurecido sobre una rueda de alfarero que gira rápidamente.

Pero para que funcione la explicación de la Tierra de rotación rápida, es necesario que algo más desacelere su rotación hasta hoy. En el trabajo de 2012, Stuart y Chuck argumentaron que, con ciertas interacciones con la resonancia orbital, la Tierra podría transmitir el momento angular al Sol. Más tarde, Jack Widd de MTI propuso varios escenarios diferentes de pérdida de momento angular por el sistema Tierra / Luna.

Pero ninguna de las explicaciones fue lo suficientemente satisfactoria. Stewart dice que los modelos de 2012 no pudieron explicar la órbita o la composición química de la luna. Luego, el año pasado, Simon Locke, un estudiante graduado de la Universidad de Harvard que estudió con Stuart, propuso un modelo actualizado que proponía una estructura planetaria previamente inexplorada.

En esta historia, todas las partículas de la Tierra y Tei se evaporaron y formaron una nube hinchada en forma de una rosquilla gruesa. La nube giraba tan rápido que alcanzaba el límite de coronación [límite de co-rotación]. En este estado, en el borde exterior de la nube, las piedras evaporadas giraron tan rápido que la nube adquirió una nueva estructura en la que un disco grueso gira alrededor de la región interna. Lo importante es que el disco no se separó de la región central, cómo se separaron los anillos de Saturno y cómo se separaron los discos en los modelos de formación de la luna después de la colisión.


Sinestia podría consistir en una masa de piedra vaporizada en forma de rosquilla que rodea un planeta rocoso

Las condiciones en esta estructura son infernales a la imposibilidad; no hay superficie, en cambio hay nubes de piedra fundida, y se forman gotas de piedra fundida en cada región de la nube. La luna creció dentro de este par de gotas hasta que el vapor se enfrió y dejó atrás el sistema Tierra / Luna.

Dadas las características inusuales de la estructura, Lock y Stuart decidieron que merecía un nuevo nombre. Se les ocurrieron varias versiones, después de lo cual eligieron synaestia, usando el prefijo griego sin, que significa "juntos", y la diosa Hestia , la diosa del hogar, la salud y la arquitectura. Stuart dice que la palabra significa "estructura unida".

“Estos cuerpos no son lo que piensas a primera vista. No se ven como esperabas ”, dice ella.

En mayo, Locke y Stewart publicaron trabajos sobre la física de las sinestesias; su trabajo sobre el origen de la luna desde synaesthe todavía está siendo evaluado por expertos. Presentaron este trabajo en las conferencias de planetólogos en invierno y primavera, y dicen que sus colegas estaban intrigados, pero no convencidos por esta idea. Quizás porque las sinestesias siguen siendo solo una idea; a diferencia de los planetas con anillos, que son muchos en nuestro sistema solar, y los discos protoplanetarios, que son muchos en todo el Universo, nadie ha visto synaesthe.

"Pero esta es una forma única e interesante que puede explicar las características de nuestra luna y ayudarnos a superar la dificultad con nuestro modelo inactivo", dice Locke.

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Entre los satélites naturales del sistema solar, la luna destaca por su soledad. Mercurio y Venus no tienen satélites naturales, en particular debido a su proximidad al Sol, cuya influencia gravitacional haría inestables las órbitas de tales lunas. Marte tiene pequeños Phobos y Deimos; algunos creen que estos son asteroides capturados, mientras que otros creen que se formaron después de las colisiones de cuerpos con Marte. Los gigantes gaseosos simplemente están llenos de lunas, algunas de las cuales son rocosas, algunas son agua, otras están mezcladas.

A diferencia de estas lunas, el satélite de la Tierra destaca por su tamaño y masa. La masa de la luna es aproximadamente el 1% de la masa de la Tierra, mientras que la masa total de los satélites de los planetas exteriores no supera la décima parte de la masa de sus padres. Más importante aún, la Luna es responsable del 80% del momento angular del sistema Tierra / Luna, es decir, del 80% del movimiento de todo el sistema. En los planetas exteriores, esta cifra no supera el 1%.

Pero la luna no siempre llevaba siempre esa carga. La cara de la luna demuestra que ha sido bombardeada toda su vida; ¿Por qué debemos suponer que solo una piedra la talló de la tierra? Es posible que muchas colisiones hayan creado la luna, dice Raluca Rufu, un planetólogo del Instituto de Ciencia Wisemann en Israel.

En un artículo publicado este invierno, ella afirma que la luna no apareció en la Tierra de una vez. Esta es una colección creada por mil cortes, o al menos una docena, según sus simulaciones. Los proyectiles que vuelan desde diferentes ángulos y a diferentes velocidades podrían golpear la Tierra y formar discos que se reunieron en pequeñas lunas, migajas más pequeñas que la luna actual. Las interacciones entre lunas pequeñas condujeron a sus asociaciones, que formaron nuestra luna de hoy.


Simulación por computadora: dos pequeñas lunas se fusionan

Los planetólogos recibieron bien su trabajo el año pasado. Robin Kanap, especialista en la luna en el Southwest Research Institute y uno de los primeros autores de la teoría de la formación de la luna, dijo que valía la pena considerarlo. Sin embargo, se requieren verificaciones adicionales. Rufu no está seguro de si las pequeñas lunas se habrían fijado en su órbita como la Luna, siempre se volvieron hacia nosotros de un lado; si es así, no está segura de cómo se unirían. "Eso es lo que ahora estamos tratando de descubrir", dijo Rufu.

Mientras tanto, otros recurrieron a otra explicación para la similitud de la Tierra y la Luna, con una respuesta muy simple. Synaesthes, lunas pequeñas, nuevos modelos físicos: todo esto es discutible. Es posible que la Luna sea muy similar a la Tierra porque Thea también fue similar a ella.

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La Luna no es el único objeto en el Sistema Solar que se parece a la Tierra. Las piedras de la troctolita 76536 tienen la misma proporción de isótopos de oxígeno que las piedras de la Tierra, y la misma que el grupo de asteroides llamados condritas de enstatita . La combinación de isótopos de oxígeno en estos asteroides es muy similar a la terrestre, según Miriam Telas, una cosmoquímica que estudia meteoritos en el Instituto Científico. Carnegie en Washington. "Uno de los argumentos es que se formaron en áreas más calientes del disco cerca del Sol", dice ella. Probablemente se formaron cerca del lugar donde se formó la Tierra.

Algunos de estos adoquines formaron la Tierra, otros podrían formar Thea. Las condritas enstatitas son materiales detríticos que nunca se reunieron para crear el manto, el núcleo y el planeta completo.

En enero, Nicholas Daufas, geofísico de la Universidad de Chicago, afirmó que la mayoría de las piedras que se habían fusionado con la Tierra eran meteoritos de tipo enstatita. Escribió que todo lo que se formó en la misma región debería consistir en ellos. La creación de los planetas provino de esos materiales previamente mezclados que encontramos ahora en la luna y la tierra; se ven iguales porque son lo mismo. "El cuerpo gigante que se estrelló y dio a luz a la luna probablemente tenía una composición isotópica cerca de la tierra", escribió Daufas.

David Stevenson, científico planetario del Instituto de Tecnología de California, que estudió el origen de la luna desde que se introdujo por primera vez la hipótesis Thea en 1974, dice que considera que este trabajo es la contribución más importante al debate durante el año pasado, y argumenta que aborda el problema con qué geoquímicos han estado tratando de manejar durante décadas.


Nicholas Daufas sostiene un pedazo de condrita enstatita, un asteroide que puede consistir en material similar al que formó la Tierra

“Su historia es creíble. Es una historia complicada sobre cómo ver los diversos elementos que se encuentran en la Tierra ”, dijo Stevenson. "Y luego puedes pasar a la historia de una secuencia específica de eventos que formaron la Tierra, en la que las condritas enstatitas juegan un papel importante".

Pero hasta ahora no todos creen en ello. Hay preguntas sobre la cantidad de isótopos de elementos como el tungsteno, dice Stewart. El tungsteno-182 es la hija del hafnio-182, por lo tanto, la proporción de la cantidad de tungsteno a hafnio funciona como un reloj y determina la edad de una piedra en particular. Si hay más tungsteno-182 en una piedra que en otra, se puede decir con seguridad que la piedra con predominio de tungsteno se formó antes. Pero las mediciones más precisas disponibles muestran que la relación de tungsteno a hafnio es la misma para la Tierra y la Luna. "Sería una coincidencia muy exitosa si dos cuerpos tuvieran las mismas composiciones", concluye Daufas.

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Entender la Luna, nuestra constante compañera, la hermana plateada, el objetivo de los soñadores e investigadores desde tiempos inmemoriales, es interesante en sí mismo. Pero la historia de su origen y la historia de piedras como la troctolita 76536 puede convertirse en un capítulo en un libro mucho más grande.

“Veo esto como una ventana a una pregunta más general: ¿qué sucedió durante la formación de los planetas similares a la Tierra? Dijo Stevenson. "Nadie le ha respondido todavía".

En busca de una respuesta, la comprensión de la sinesia puede ayudar; Locke y Stewart creen que las sinestesias en el Sistema Solar temprano podrían formarse muy rápidamente cuando los protoplanetas chocaran y se derritieran. Muchos cuerpos rocosos podrían ser inicialmente un espeso halo de vapor, por lo que comprender la evolución de la sinesia puede ayudar a los científicos a comprender cómo evolucionaron la luna y otros mundos similares a la Tierra.

Por supuesto, también será útil recolectar más muestras, especialmente de los mantos de ambos cuerpos, ya que los geoquímicos tendrán más datos para trabajar. Podrán decir si el contenido de oxígeno almacenado en las profundidades de la Tierra se retiene con profundidad, o si los tres isótopos de oxígeno comunes prevalecen entre sí en diferentes áreas.

"Cuando decimos que la Tierra y la Luna son muy similares en términos de los tres isótopos de oxígeno, asumimos que realmente sabemos qué es la Tierra y qué es la Luna", dice Stevenson.



Nuevos detalles en la teoría del origen del sistema solar, a menudo basados ​​en complejas simulaciones por computadora, ayudan a comprender dónde nacieron los planetas y hacia dónde se movieron. Los científicos dicen cada vez más que Marte no nos contará esta historia, ya que no podría haberse formado en la misma parte del sistema solar donde aparecieron la Tierra, los enstatites y Thea. Stevenson dice que Marte ya no necesita ser usado como un barómetro de planetas rocosos.

Los expertos de Moon están de acuerdo en que las mejores respuestas se pueden encontrar en Venus, un planeta más similar a la Tierra que otros. En su juventud, ella podría tener la luna, que se perdió más tarde; podría ser muy similar a la Tierra, o diferente. “Si pudiéramos obtener un guijarro de Venus, sería muy sencillo para nosotros responder la pregunta del origen de la luna. Pero desafortunadamente, esto no está en la lista de prioridades ”, dice Locke.

La falta de muestras de Venus y laboratorios capaces de verificar las presiones y temperaturas inimaginables en el centro de la colisión deja a los expertos en la luna para encontrar nuevos modelos y revisar la historia original de la luna.