La Formación de la Luna

Nov 7, 2017

La Formación de la Luna

La Formación de la Luna. La teoría del gran impacto (en inglés Giant impact hypothesis, Big Whack o Big Splash) es la teoría científica más aceptada para explicar la formación de la Luna, que postula que se originó como resultado de una colisión entre la joven Tierra y un protoplaneta del tamaño de Marte, que recibe el nombre de Tea (o Theia)​ u ocasionalmente Orpheus u Orfeo. El nombre de Theia proviene de la mitología griega, ya que Theia o Tea era la titánide madre de la diosa lunar Selene. La hipótesis se planteó por primera vez en una conferencia sobre satélites en 1974 y luego fue publicada en la revista científica Icarus por William K. Hartmann y Donald R. Davis en 1975

¿Cómo se formó la Luna?

La Luna se formó a partir de los escombros del violento impacto de la Tierra y Tea, un cuerpo del tamaño de Marte, hace 4.5 miles de millones de años. Esto se conoce como la Hipótesis del gran impacto, y es la explicación más aceptada al respecto. Sin embargo, no es definitiva y actualmente es complicado darla por hecho en la medida de que surge nueva evidencia.

En el caso de que fuera completamente verídica, un objeto tan grande como Tea proveniente del espacio exterior tendría una composición química distinta a la de la Tierra. Ello habría dejado a nuestro planeta y su satélite con composiciones radicalmente distintas, mientras que sucede todo lo contrario. Recientes investigaciones señalan que la similitud química de la Luna con nuestro planeta es mayor de lo que se creía, lo que indicaría que en realidad se formó principalmente con material terrestre. Es decir, o la Luna es el resultado de material directamente originado en el manto de la Tierra o la Luna y parte de la Tierra se originaron a partir de una mezcla idéntica de materiales procedente de uno o varios objetos.

Esta nueva propuesta desafía la convención de la formación de la Luna, representada por la Hipótesis del gran impacto. Robin M. Canup, impulsor de esta explicación alternativa e investigador del Instituto de Investigación del Suroeste (SwRI), indica que tanto la Tierra como su satélite se formaron a partir de choques de cuerpos más grandes que Marte. El impacto de dos objetos gigantes habría dado como resultado la existencia de dos cuerpos más pequeños y de tamaño similar. Después de un segundo choque, se habría formado la Tierra y habrían dejado escombros a su alrededor que más tarde formarían la Luna.

Aunque esta nueva idea explica un elemento fundamental acerca de cómo se formó la Luna que la Hipótesis del gran impacto no, todavía queda mucho por recorrer. La clave del misterio, sin embargo, podría tenerla Venus. Siendo similar a la Tierra en masa y distancia al Sol, podríamos comparar su composición isotópica con la de la Tierra y la de la Luna. Si la de Venus es parecida a ambas, significaría que el cuerpo que formó la Luna habría tenido una composición similar también (y de paso explicaría que Venus también se formó en una colisión).

Cualquier teoría exitosa debe tomar en cuenta todo lo que sabemos acerca de la Luna, así como ser capaz de hacer predicciones de futuras observaciones. Hay tres teorías acerca de cómo la Luna llegó a su lugar:

  • Que la Luna salió de la corteza de la Tierra
  • Que la Luna fue capturada por la Tierra
  • Que la Luna y la Tierra se formaron juntas de la nébula principal

Pero, sea como sea que llegó a su lugar, a medida que la Luna se terminó de formar, aproximadamente hace 4 mil millones de años, la superficie fue chocada por restos de material planetario (planetismales) cercano. Durante este período, la Luna se calentó y se separó en núcleo y mantos, y experimentó volcanismo. De este período existen muchas evidencias de praderas volcánicas. Hacia finales del período de bombardeo de peñazcos, la Luna fue golpeada por una serie de peñazcos muy grandes. Estos choques formaron lo que hoy llamamos la maria lunar. Las cordilleras de impacto se formaron a causa de choques que las inundaron con material oscuro desde el interior de la Luna, dando orígen a praderas lisas y oscuras.

A causa de su pequeño tamaño, la Luna debió enfriarse muy rapidamente en comparación con la Tierra. Cuando el período de bombardeo cesó, la Luna se enfrió por completo hasta convertirse en lo que conocemos hoy en día. La actividad de la superficie, en forma de tectónica de placas, y otras formas de actividad, cesó cuando la Luna se enfrió. Incluso el interior de la Luna parece haberse enfriado hasta la inactividad de hoy.

Los científicos y filósofos se han estado realizando esta pregunta durante siglos.

Inmediatamente después de que Copérnico nos descubriera el actual modelo del Sistema Solar con la Tierra como otro planeta y Sol en el centro del mismo, nos proporcionó otro modo de ver la Luna.

La primera idea moderna acerca de la formación de la Luna se denominó teoría de la fisión y la expuso George Darwin, el hijo de Charles Darwin.
El razonó que, la Luna debió haberse separado de nuestro planeta cuando la Tierra todavía era una bola fundida en rápida rotación.

Esta teoría permaneció desde la década de 1880 hasta la era espacial.

La teoría más ampliamente aceptada era que la Luna se formó cuando hace miles de millones de años, un cuerpo del tamaño de Marte se estrelló contra la Tierra.
Esta colisión hizo que la recién formada Tierra se transformara de nuevo en una bola de roca fundida y expulsara materia que se situaría en órbita.
La mayor parte de ésta materia regresaría de nuevo a la Tierra, pero parte se reuniría por acción de la gravedad y formaría la Luna que tenemos hoy.
Esta teoría fue concebida por vez primera en 1946 por Reginald Aldworth Daly de la Universidad de Harvard. Desafió a la teoría de Darwin tras calcular que solo un pedazo de Tierra desmembrada no podría realmente situar a la Luna en su posición actual. Sin embargo, sugirió que podría haber sido consecuencia de un impacto.

Otra idea podría ser que la Tierra capturara la Luna después de haberse formado.

Por lo general, este tipo de interacciones gravitatorias  no suelen funcionar bien.
Los modelos actuales predicen que, o bien la Luna habría colisionado con la Tierra o que hubiera sido lanzada hacia una órbita diferente.
En esta imagen se aprecia una línea delgada de la atmósfera de la Tierra con una Luna menguante, fotografiada por el astronauta Ron Garan(NASA/Ron Garan),. Hacer clic para verla en tamaño mayor.
Es posible que la atmósfera de la Tierra primigenia fuera mucho más gruesa y densa y actuara como freno, modificando la trayectoria de la Luna hacia una órbita estable alrededor de la Tierra, o también que la Tierra y la Luna se formaran juntas en sus posiciones actuales como un sistema binario, capturando la Tierra la mayor parte de la masa y la Luna la materia restante.
Esta idea no tuvo mucha aceptación hasta que en 1974 un documento de los Doctores William K. Hartmann y Donald R. Davis fuera publicado en la revista Icarus. Ellos sugerían que el Sistema Solar todavía estaba lleno de restos de cuerpos del tamaño de la Luna que colisionaban con los planetas.
La teoría del impacto explicó muchos de las disputas acerca de la formación de la Luna. Por ejemplo, una pregunta era: ¿por qué la Tierra y la Luna tienen núcleos de diferentes tamaños?
Después del impacto de un planeta del tamaño de Marte, las capas externas más ligeras de la Tierra habrían sido expulsadas y situadas en órbita y se habrían agrupado formando la Luna, mientras que los elementos más densos regresarían de nuevo a la Tierra.
Esto también ayuda a explicar cómo la Luna se encuentra en un plano inclinado respecto de la Tierra. Si la Tierra y la Luna se formaron conjuntamente estarían perfectamente alineadas con el Sol.
Pero una colisión podría venir desde cualquier dirección y habría esculpido la Luna. Una idea sorprendente es que el impacto podría haber creado dos lunas de la Tierra
Las dos caras de la Luna, imagen LRO
El segundo objeto más pequeño podría haber sido inestable y finalmente se habría estrellado contra la cara oculta de la Luna, lo que explicaría por qué la superficie de su cara oculta es tan diferente de la cara visible.
A pesar de que no sabemos con certeza  cómo se formó la Luna, la teoría de un gigantesco impacto es la más fiable, aunque no obstante los científicos continúan buscando pistas que nos aporten más información.

Tea

El gran impacto visto desde el polo surterrestre.

Una de las hipótesis plantea que Tea se formó en un punto de Lagrange respecto a la Tierra, es decir, aproximadamente en la misma órbita pero 60º por delante (L4) o por detrás (L5)​ Conforme a lo sugerido en 1772 por el matemático Joseph-Louis de Lagrange, existen cinco puntos en la órbita terrestre en donde los efectos de la gravedaddel planeta se anulan en relación con los del Sol. Dos de los puntos de Lagrange (L4 y L5), situados a 150 millones de kilómetros de la Tierra, son considerados estables y por tanto son zonas con potencial para permitir la acreción planetaria en competición con la Tierra. Fue en el punto L4 donde se piensa que Tea comenzó a formarse en el eón Hadeico.

Cuando el protoplaneta Tea creció hasta un tamaño comparable al de Marte, unos 20 ó 30 millones de años después de su formación, se volvió demasiado masivo para permanecer de forma estable en una órbita troyana. La fuerza gravitacional impulsaba a Tea fuera del punto de Lagrange que ocupaba, al mismo tiempo que la fuerza de Coriolis empujaba al protoplaneta de vuelta al mismo. Como consecuencia de ello, su distancia angular a la Tierra comenzó a fluctuar, hasta que Tea tuvo masa suficiente para escapar de L4.

Formación de la Luna

Mientras Tea se encontraba atrapada en la órbita cíclica, la Tierra tuvo tiempo para diferenciar su estructura en el núcleo y manto que actualmente presenta. Tea también podría haber desarrollado alguna estratificación durante su estadio en L4. Cuando Tea creció lo suficiente para escapar del punto de Lagrange, entró en una órbita caótica y la colisión de ambos planetas se hizo inevitable, dado que ambos planetas ocupaban la misma órbita. Se piensa que el impacto pudo haber acontecido unos cientos de años después del escape definitivo. Se ha calculado que esto ocurrió hace 4 533 millones de años; se cree que Tea impactó la Tierra con un ángulo oblicuo a una velocidad de 40 000 km/h, destruyendo Tea y expulsando la mayor parte del manto de Tea y una fracción significativa del manto terrestre hacia el espacio, mientras que el núcleo de Tea se hundió dentro del núcleo terrestre. Ciertos modelos muestran que la colisión entre ambos cuerpos fue rasante y que Tea quedó en una órbita baja, estando unida con la Tierra por un puente de materia; posteriormente se alejó hasta varios diámetros terrestres para volver a chocar con la Tierra y acabar destruido por completo. Las condiciones existentes en el entorno terrestre tras el impacto fueron muy extremas, con el planeta fundido en su totalidad y rodeado por una atmósfera de roca vaporizada a 4000 °C que se extendía hasta una distancia de ocho radios terrestres.

Estimaciones actuales basadas en simulaciones por ordenador de dicho suceso sugieren que el 2% de la masa original de Tea acabó formando un disco de escombros, la mitad del cual se fusionó para formar la Luna entre uno y cien años después del impacto. Independientemente de la rotación e inclinación que tuviera la Tierra antes del impacto, después de éste, el día habría tenido una duración aproximada de cinco horas y el ecuador terrestre se habría desplazado más cerca del plano de la órbita lunar.

Es posible, de acuerdo con diversas simulaciones, que se hubieran formado dos satélites a una distancia de 20 000 kilómetros de la Tierra. Sin embargo, la luna interna acabaría colisionando de nuevo con nuestro planeta o chocando con la otra 1 000 años después de su formación. Esta última hipótesis explicaría la diferencia existente entre la cara visible de la Luna y su cara oculta, proponiendo que la segunda luna habría tenido un diámetro aproximado de 1 200 kilómetros —más grande que el planeta enano Ceres— y que se hallaría en uno de los puntos de Lagrange de la órbita lunar de entonces, en el cual permanecería durante millones de años hasta que su órbita se desestabilizó para acabar colisionando con la mayor de las lunas en lo que hoy es la cara oculta. Dicha colisión se habría producido a una velocidad relativamente baja (2-3 km/s), de modo que el objeto impactante no habría formado un cráter sino que, tras el impacto, su destrucción habría cubierto con materiales rocosos el hemisferio alcanzado.

Evidencias

Evidencias indirectas de este escenario de impacto provienen de las rocas recogidas durante las misiones Apolo, que muestran que la abundancia de los isótopos de oxígeno (16O, 17O y 18O) es prácticamente igual a la que existe en la Tierra.​ La composición de la corteza lunar, rica en anortosita, así como la existencia de muestras ricas en KREEP, apoyan la idea de que en un pasado una gran parte de la Luna estuvo fundida, y un gigantesco impacto pudo aportar la energía suficiente para formar un océano de magma de estas características. Distintas evidencias muestran que si la Luna tiene un núcleo rico en hierro, éste ha de ser pequeño, menor de un 25% del radio lunar, a diferencia de la mayor parte de los cuerpos terrestres en donde el núcleo supone en torno al 50% del radio total. Las condiciones de un impacto dan lugar a una Luna formada mayoritariamente por los mantos de la Tierra y del cuerpo impactante —con el núcleo de este último agregándose a la Tierra— y satisfacen las restricciones del momento angular del sistema Tierra-Luna.

Dificultades

Animación que muestra cómo la órbita de Tea dejó de ser estable para acabar impactando con la Tierra.

A pesar de ser la teoría dominante para explicar el origen de la Luna, existen varios interrogantes que no han sido resueltos. Entre éstos se incluyen:

  • 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 (una consecuencia derivada de la hipótesis del gran impacto), y se han encontrado materiales en el manto terrestre que parecen no haber estado nunca en un océano de magma.​
  • El contenido del 13% de óxido de hierro (FeO) en la Luna (superior al 8% que tiene el manto terrestre) descarta que el material proto-lunar pueda provenir, excepto en una parte pequeña, del manto de la Tierra.
  • Si la mayor parte del material proto-lunar proviene del cuerpo impactante, la Luna debería estar enriquecida en elementos siderófilos, cuando en realidad es deficiente en ellos.
  • Ciertas simulaciones de la formación de la Luna requieren que la cantidad de momento angular del sistema Tierra-Luna sea aproximadamente el doble que en la actualidad. Sin embargo, estas simulaciones no tienen en cuenta la rotación de la Tierra antes del impacto, por lo que algunos investigadores consideran que esto no es evidencia suficiente para descartar la hipótesis del gran impacto

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