Theia, la madre de la Luna

Nuestra Luna es un cuerpo extraño, una rareza dentro del sistema solar, una rareza que permitió el origen de la vida, y mantuvo al planeta con un eje de rotación estable. Cuando se compara su tamaño con otros satélites del sistema solar sale a colación su gran tamaño. Nuestra Luna es superada en tamaño por sólo otras cuatro lunas; ellas son tres de los cuatro grandes satélites jovianos ( Ganímedes , Calisto e Io ), y la gran luna de Saturno ( Titán ). Cuando se trabaja en relación al tamaño de las lunas con respecto al diámetro respectivo de sus planetas, la diferencia es aún más notable: la relación de la Luna/Tierra es de casi 1/4,  (si el planeta fuese del tamaño de una pelota de baloncesto, la Luna sería como una pelota de tenis). Pero si se compara con las otras lunas se tiene que la relación entre Ganímedes y Júpiter es de 1/27 (si Júpiter es del tamaño de una pelota de baloncesto, Ganímedes sería menor a una canica pequeña); eso se repite en el caso de Titán con Saturno cuya relación es 1/23 ; entre Titania y Urano tenemos una razón de 1/32; entre Tritón y Neptuno la razón es 1/18; sólo en el sistema binario Caronte/Plutón tenemos una razón superior las centésimas, de casi 1/2.

Tierra -luna

Desde el punto de vista a la relación entre el número de lunas y los planetas resulta que los gigantes gaseosos tiene una cantidad de satélites sobre sesenta en el caso de Júpiter y Saturno, casi treinta en Urano y más de la docena en Neptuno; incluso el pequeño Plutón tiene cinco lunas conocidas. Pero en los planetas interiores las lunas simplemente escasean; Mercurio y Venus no tienen, mientras que Marte tiene dos pequeñas lunas, dos asteroides capturados del cercano cinturón. Por ello nuestra Luna resulta la más enigmática de entre las lunas conocidas, y su gran tamaño ha sido causa de muchas especulaciones y teorías sobre su origen y formación:

Tierra -luna - creación

Una de las primeras es la hipótesis de la Creación y establece que un ser supremo hizo la Luna tal y como aparece en el cielo y la puso en su órbita actual. Muchas culturas en todo el mundo tienen creencias religiosas sobre el origen de la Luna aceptando esta idea, claro y por supuesto que entendemos que no es una idea científica.

La hipótesis de Acreción, dice que la formación de la Luna fue al mismo tiempo que la Tierra, del mismo material y en la misma zona, y que los dos cuerpos nunca se fusionaron en uno solo, sino que se formaron juntos. Este modelo coincide con las estrellas binarias o dobles que se encuentran muy comúnmente en la que una de las dos tiene más masa que la otra, orbitando la de menor masa a la mayor. De hecho, Júpiter parece ser una ‘estrella’ que nunca obtuvo el material suficiente para formar helio mediante reacciones nucleares, y se convirtió así en un planeta gaseoso simple. ¿Por qué no sería posible que los materiales locales en la nebulosa solar temprana, formara dos cuerpos rocosos en vez de uno más grande?. A favor de esta idea se encuentra que la datación radioactiva de las rocas lunares traídas a nuestro planeta por las diversas misiones espaciales, datan a las edad de la Luna entre 4500 y 4600 Ma, aproximadamente la misma edad de la Tierra. Como inconveniente tenemos que, si los dos se crearon en el mismo lugar y con la misma materia: ¿cómo es posible que ambos posean una composición química y una densidad tan diferentes?. En la Luna abunda el titanio y los compuestos exóticos, elementos no tan abundantes en nuestro planeta al menos en la zona más superficial.

Otra común y similar a la anterior es la hipótesis de la Captura, el origen de la Luna sigue estando en los restos del sistema solar cuando se estaba formando, y cuando iba pasando cerca de la Tierra fue capturada por la gravedad terrestre. El problema principal con esta teoría es evidente al imaginar la escala del sistema solar; los planetas son tan increíblemente pequeños comparados con la inmensidad del espacio que parece casi imposible que algo tan grande como la Luna pudiera ser atraído por nuestro planeta. El modelo matemático para la captura de un cuerpo tan grande, cosa que no ocurre con Marte y sus pequeñas lunas, sugiere que esta teoría sea difícil de aceptar. Sin embargo, el hecho de que los planetas gigantes gaseosos, en especial Júpiter y Saturno hayan capturado muchas de sus respectivas lunas, e incluso la gran luna de Neptuno, Tritón, es un mundo capturado, hace que este escenario por lo menos sea remotamente posible para la Tierra. Sin embargo, el mayor problema es que es difícil explicar cómo sucedió la importante desaceleración de la Luna, necesaria para que este gran objeto no escapara del campo gravitatorio terrestre; algunos proponen que el disco de escombros que rodeaba a la Tierra en su origen puedo haber ayudado a desacelerar la luna viajera.

Teoría de la fisión

La hipótesis de la Fisión , establece que la Luna se separó de una Tierra que giraba rápidamente cuando todavía era una burbuja gigante de material fundido. Esta idea fue propuesta en 1898, por George Darwin (un hijo de Charles Darwin ), quien hizo la sugerencia de que la Tierra y la Luna habían sido una vez un solo cuerpo. La hipótesis de Darwin era que una Luna fundida se había separado de una masa inicial fundida debido a las fuerzas centrífugas, y esta se convirtió en la explicación académica dominante durante mucho tiempo.

Esta hipótesis supone que originariamente la Tierra y la Luna eran un sólo cuerpo y que parte de la masa fue expulsada, debido a la inestabilidad causada por una fuerte aceleración rotatoria que en aquel momento experimentaba nuestro planeta. La parte desprendida se ‘quedó’ con parte del momento angular del sistema inicial y, por tanto, su rotación se sincronizó con su periodo de traslación. Se postulaba que la zona que se desprendió corresponde al Océano Pacífico, que tiene unos 180 millones de kilómetros cuadrados y con una profundidad media de 4049 metros. Sin embargo, los detractores de esta hipótesis opinan para poder separarse una porción tan importante de nuestro planeta, éste debería rotar a una velocidad tal que diese una vuelta en menos de tres horas. Parece imposible tan fabulosa velocidad, porque, al girar demasiado rápido, la Tierra no se hubiese podido acrecentar al presentar un exceso de momento angular. Claro que para la época del origen de esta hipótesis se desconocía la deriva continental y que el océano pacífico es relativamente nuevo, geológicamente hablando. El problema con esta teoría basada en la fuerza centrífuga es que la existencia de un mundo que gire tan rápidamente no está apoyada por la evidencia, no ha ocurrido, ni observado, en ningún otro planeta. ¿Por qué la Tierra giraría mucho más rápido que cualquier otro planeta?.

El origen de esta idea venía del estudio de las mareas y el momento angular Tierra-Luna. Hoy se reconoce que las mareas son la forma en que ambos cuerpos intercambiaban su momento angular; en el transcurso del tiempo la Luna se ha alejado de la Tierra y la Tierra ha frenado su rotación. Esta deriva fue confirmada más tarde por experimentos de estadounidenses y soviéticos, encontrándose que la Luna actualmente se separa de la Tierra a razón de casi 4 cm cada año; de igual forma la Tierra frena su rotación a razón de 2 milisegundos por siglo. Claro que esta taza de alejamiento de la Luna no ha sido constante; estudios en sedimentos estratificados por mareas señalan que hace unos 650 Ma la taza era cercana a 2 cm/año. Esto es que la Luna se esta alejando hoy anormalmente rápido; los modelos señalan que la causa de esto es la actual disposición de los continentes, cuando hace 650 Ma había un único supercontinente. Se estima que en la época de los dinosaurios (hace 65 Ma) el día duraba casi 23,5 horas; en tanto que en la era paleozoica, hace 400 millones de años, el día terrestre duraba 22 horas actuales. La extrapolación hasta 4500 millones de años atrás, revela que el día duraba apenas algo más de 5 horas actuales. En esos primeros tiempos con la rápida rotación y la cercanía de la Luna hubo grandes mareas, lo que permitieron y ayudaron al origen de las primeras formas de vida.

En 1946, Reginald Aldworth Daly de la Universidad de Harvard desafiado la explicación de Darwin, postula que la creación de la Luna fue causada por un impacto, en lugar de las fuerzas centrífugas. Se prestó poca atención a esta idea, pero actualmente parece ser la más aceptada por la evidencia encontrada. La teoría fue nuevamente presentada por el Dr. William K. Hartmann y el Dr. Donald R. Davis, en un artículo en la revista de astronomía, Icarus, en de 1975; conocida como la teoría del Gran Impacto, propone que un objeto del gran tamaño se estrelló contra la Tierra, golpeando superficialmente al planeta. De los escombros que quedaron se formó un anillo que rápidamente se unieron en la actual Luna, mientras los restos del cuerpo terminaría chocando con el Sol. Este hecho ocurrió en los primeros días del sistema solar, hace aproximadamente 4500 Ma. Un enfoque similar fue dado por el astrónomo canadiense Alastair G. W. Cameron y astrónomo estadounidense William R. Barrio, quienes sugerían que la Luna se formó por el impacto tangencial sobre la Tierra de un cuerpo del tamaño de Marte. Señalaba su propuesta que las capas externas de silicatos del cuerpo que impactaba se habrían evaporado en la colisión, permaneciendo un pequeño núcleo metálico logró agrupar a los silicatos que quedaron en órbita, mientras que los materiales más volátiles se dispersaban por el sistema solar.

Teoría del gran impacto _1

El nombre del hipotético protoplaneta que choco contra la Tierra ha sido llamado Theia (Teia o Tea en español), en honor a la titánica madre de Selene , la diosa de la Luna (aunque en ocasiones también ha sido este mundo llamado Orfeo ). Esta designación fue propuesta inicialmente por el geoquímico ingles Alex N. Halliday en 2000 y ha sido aceptado en la comunidad científica. De acuerdo con las modernas teorías de formación planetaria, Theia era parte de una población de cuerpos del tamaño de Marte que existieron en el sistema solar hace unos 4500 Ma. De hecho, una de las características más atractivas de la hipótesis del gran impacto es que la formación de la Luna se inscribe en el contexto de la formación de la Tierra ; en el curso de su formación, la Tierra se cree que sufrió decenas de colisiones con protoplanetas; la colisión que formó la Luna habría sido solamente el mayor impacto y, tal vez el último.

Los astrónomos creen que la colisión entre la Tierra y Theia ocurrió entre 4400 y 4450 Ma; unos 30 a 50 Ma años después de que el sistema solar comenzó a formarse. En términos astronómicos, el impacto habría sido de velocidad moderada.

Para entender el origen de Theia hay que referirse al año 1772 cuando el matemático Joseph-Louis de Lagrange hacia un estudio del problema de los tres cuerpos, una situación en que dadas las posiciones, masas y velocidades de tres objetos se buscaba determinar para cualquier instante posterior su posición y velocidad futura, actuando solo la gravedad. Si bien el problema de los tres cuerpos no presenta una solución ‘algebraica’ directa, y donde pequeñas variaciones pueden dar resultados totalmente distintos; el matemático reemplazó las ecuaciones vectoriales de Newton por unas escalares basadas en los potenciales de energía; hay que imaginarlo como un objeto que rueda sobre una superficie, esta siempre cae hacia donde se encuentra la zona más profunda o baja; así en las ‘superficies’ potenciales ocurre similar. El matemático encontró un caso particular en que se podía predecir la posición del tercer cuerpo si su masa es despreciable respecto a los otros dos, y el segundo en masa gira en una orbita casi circular respecto al primero. Se encontraron cinco puntos de estabilidad para el tercer cuerpo. El primero (L1) es casi intuitivo; se encuentra entre los dos grandes objetos; donde la gravedad de ambos se compensa. El segundo (L2) ocurre en la misma línea que une las dos masas mayores, pero más alla del más pequeño en masa; en este punto la atracción gravitatoria de los dos cuerpos mayores compensa la fuerza centrífuga causada por el menor. El tercer punto (L3) se ubica en la misma línea pero ahora más alla del cuerpo con mayor masa; esta aparente contradicción se explica porque el objeto mayor está también afectado por la gravedad del segundo en tamaño, y así gira en torno al centro de masas común o baricentro. Los otros dos puntos (L4 y L5), se ubican en los vértices de triángulos equiláteros cuya base común es la recta que une los centros de las dos masas, de forma que el punto L4 precede al cuerpo pequeño un ángulo de 60º visto desde la masa grande, mientras que L5 gira detrás del cuerpo pequeño, aunque con radio mayor que éste, con un retraso de 60º visto a su vez desde el cuerpo grande.

Según una de las hipótesis actuales es que Theia 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). Los puntos de Lagrange (L4 y L5), situados a casi 150 millones de kilómetros de la Tierra, son considerados muy estables y por tanto son zonas con el potencial para permitir una acreción planetaria en la misma orbita de la Tierra. Se creer que el punto L4 fue donde Theia comenzó a formarse en el Eón Hadeico; pero cuando el protoplaneta Theia creció hasta un tamaño comparable al de Marte, unos 20 ó 30 millones de años después de su formación, era demasiado masivo para permanecer de forma estable en una órbita troyana. La fuerza gravitacional impulsaba a Theia fuera del punto de Lagrange que ocupaba, al mismo tiempo que la fuerza de Coriolis empujaba al planeta de vuelta al mismo. Como consecuencia de ello, su distancia angular a la Tierra comenzó a fluctuar, hasta que Theia tuvo la masa suficiente para escapar de L4 y chocar finalmente con la Tierra.

Se cree que Theia golpeó a la Tierra a un ángulo oblicuo, cuando éste estaba casi completamente formado. Las simulaciones por ordenador sugieren un ángulo de impacto de aproximadamente 45° y una velocidad por debajo de 4 km/s. El hierro del núcleo de Theia núcleo se habría hundido en el núcleo de la Tierra joven, y la mayoría del manto Theia se habría acrecentado en el manto de la Tierra, sin embargo, una parte importante del material del manto de ambos (50% del de Theia y 20% del de la Tierra) habría sido expulsado y quedado en órbita alrededor de la Tierra. Este material rápidamente se fusionó en la Luna (posiblemente dentro de menos de un mes, pero en no más de un siglo).

La Tierra habría ganado una cantidad significativa de momento angular y la masa en la colisión. Independientemente de la velocidad e la inclinación de la rotación de la Tierra antes del impacto, esta habría experimentado un día de cinco horas de duración después del impacto, y el ecuador de la Tierra y la órbita de la Luna se habría ubicado en el mismo plano a raíz del impacto.

No todo el material del anillo habría sido necesariamente barrido de inmediato, científicos estadounidenses sugieren que la Tierra pudo tener dos lunas hace millones de años. Erik Asphaug y colaboradores sugieren recientemente que la corteza engrosada del lado oculto de la Luna se debe a un segundo satélite (Luna 2) de alrededor de 1000 km de diámetro (menos de 1/3 de la Luna) que se formo en uno de los punto de Lagrange, después de decenas de millones de años, las dos lunas emigraron alejándose rápidamente de la Tierra por los efectos de las mareas, lo que afecto la órbita de la luna menor y esta finalmente chocó con la mayor, en una colisión lenta velocidad que termino aplastando la luna más pequeña en lo que hoy es el lado opuesto de nuestra Luna.

Una pequeña luna golpeó a la Luna

Entre los elementos probatorios de esta hipótesis se incluyen: (1) el eje de giro de la Tierra y la órbita de la Luna tienen orientaciones similares, (2) las muestras de piedras lunares indican la superficie de la Luna estuvo una vez fundida, (3) la baja densidad de la Luna (3,3 gr/cm3) comparada con la de la Tierra implica que tiene un muy pequeño núcleo de hierro; en el impacto la mayor parte del hierro original de Theia paso a la Tierra. Se ha calculado que el tamaño de núcleo metálico de la Luna es de aproximadamente un 25% de su radio, en contraste el aproximadamente 50% para la mayoría de otros similares (planetas interiores). (4) La evidencia de colisiones similares en otros sistemas estelares (que se traducen en discos de escombros ), y que las colisiones gigantes son consistentes con las principales teorías de la formación del sistema solar. Por último, (6) las proporciones de isótopos estables de roca lunar y terrestre son idénticos, lo que implica un origen común; en rocas recogidas por las misiones Apolo se encontró que las proporciones de los isotopos de oxígeno (O16, O17 y O18) es prácticamente igual a la que existe en la Tierra; y mientras que comparadas con distintos meteoritos no hay correspondencia.

Pese a estos apoyos a la hipótesis y ser hoy la teoría dominante, se presentan algunos problemas, entre ellos: (1) la hipótesis del gran impacto implica que la superficie de la Tierra debió haber quedado cubierta por un océano de roca fundida (magma), pero no hay prueba de ello; (2) 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; (3) el óxido de hierro (FeO) contenido en la Luna es de 13%, que es intermedio entre Marte (18%) y el manto terrestre (8%), descartando que la mayor parte de la fuente del material proto-lunar provino del manto de la Tierra. (4) Si la mayor parte del material proto-lunar proviene del cuerpo impactante, la Luna debería estar enriquecida en elementos siderófilos (afines al hierro), cuando en realidad es deficiente en ellos. (5) Se sabe que Venus también experimentó impactos gigantes durante su formación, ya que su rotación es más lenta que su traslación, y en sentido contrario al sentido de traslación, ¿por qué Venus no tiene una luna?, a lo que algunos señalan que la influencia del Sol pudo afectar a estas lunas en los planetas más interiores, o colisiones posteriores terminaron con las lunas de Venus y posiblemente las que pudo tener Mercurio, quien experimento al final de su formación un gran impacto que el quitó prácticamente su manto, dejando tan solo el núcleo metálico; siendo por ello el planeta más pequeño y el más denso de todos.

Para explicar estas discrepancias se han planeado varias versiones del mismo, la primera es que Theia se trataba de un cuerpo pequeño como Marte que chocó contra la Tierra, el resultado de esta versión es que la Luna debería ser principalmente restos de Theia, cosa que las piedras lunares señalan como errado. La segunda versión propone que la Tierra tendría al momento de la colisión una rotación muy alta, en este caso la Luna formada estaría formada por restos del manto terrestre, pero el momento angular resultante sería el doble del actual; una tercera versión, señala que Theia en realidad tenía el tamaño de la Tierra, pero de menor masa y densidad, el resultado es tras el choque ambos cuerpos estarían formados de una mezcla de ambos; pero a medida que se obtengan más datos la propuesta cambiara para finalmente satisfacer todas las observaciones, o tenga finalmente que ser eliminada por una propuesta diferente; hasta entonces Theia seguirá siendo la madre de nuestra Luna.

Theia_1

Los comentarios están cerrados.