Nuevos datos en la teoría de formación de la Luna

granimpactolunaTierra y Luna han viajado por el espacio prácticamente juntas desde el origen de la Tierra. Según la teoría más exitosa hasta el momento a la hora de explicar el origen de nuestro satélite, 40 millones de años después de la formación de nuestro planeta, hubo una gran colisión entre éste y un objeto del tamaño de Marte aproximadamente. Es la conclusión a la que llegaron Donald Davis y William Hartmann en 1975, aunque su teoría de la gran colisión no empezó a ser tomada en serio hasta 1984. Desde entonces, todas las pruebas que se han ido recopilando, todos los hallazgos, uno detrás de otro, han ido en la misma dirección, apoyando esta teoría para nada descabellada. Por un lado, los datos físicos no dejan lugar a dudas: cómo se mueve el sistema Tierra-Luna, como rota uno alrededor del otro, el tamaño relativo entre ambos objetos, etc. Y por otro lado, los datos químicos tampoco dejan lugar a dudas y aportan, además, consideraciones muy interesantes como veremos.

Desde que el ser humano puso el pie en la Luna la química de nuestro satélite se puede analizar. Las misiones Apolo trajeron material lunar, centenares de kilos, y eso nos permite analizar esa química y ver cuánto se parece o diferencia de los materiales que forman nuestro planeta. Esos análisis químicos se han ido realizando desde el primer día y se han ido mejorando gracias a las nuevas técnicas que la tecnología de hoy nos permite. En concreto, se han realizado recientemente nuevos estudios con isótopos de potasio en muestras lunares y terrestres que están permitiendo realizar algún que otro retoque en nuestra hipótesis preferida de origen lunar. Sobre todo, estos nuevos estudios vienen a aportar algo de luz en cuanto al tipo de colisión que tuvo lugar en su momento y a la procedencia del objeto con el que nuestro planeta chocó. Ambos aspectos son fundamentales para entender la formación de nuestro satélite y, para los que como yo opinamos que sin la Luna no habría vida inteligente en la Tierra, fundamentales también para la formación de nosotros mismos.

Muy resumida, la teoría de la gran colisión nos propone un origen de la Luna motivado por un choque entre nuestro planeta y un objeto del tamaño de Marte aproximadamente. Algunas variantes afirman que era mayor que Marte y otras, menor. Pero lo importante es que, como consecuencia del choque, se produjo una mezcla de la materia de ambos cuerpos, fusionándose los núcleos en uno sólo y quedando parte del material del choque orbitando alrededor de la “nueva Tierra”, dando lugar a la Luna. Esta hipótesis casa muy bien con la física de ambos objetos, las velocidades de giro de ambos, el ángulo de la órbita lunar respecto al plano de la eclíptica (camino que sigue el sol en el cielo y que representa el plano del sistema solar donde se hallan situados los planetas), la masa de los dos cuerpos, etc. La situación actual de ambos cuerpos se puede explicar muy bien con un origen como el propuesto en 1975. Ahora bien, es fundamental para la supervivencia de la hipótesis, que los aspectos químicos y geoquímicos casen también con la hipótesis de colisión y mezcla posterior. La hipótesis debe resistir la comparación entre las muestras lunares y terrestres.

Para las comparativas químicas no se busca que un elemento abunde más o menos en uno de los dos cuerpos, sino que se analiza cómo abundan los distintos isótopos de un mismo elemento. Recordemos que un isótopo es el mismo elemento químico, el mismo átomo, pero con distinta masa debido a que tiene distinto número de neutrones que el elemento original. Si pensamos, por ejemplo, en el oxígeno, encontraremos varios isótopos y podremos medir la proporción que hay entre isótopos para una muestra dada. Analizar los isótopos nos puede dar cuenta del lugar donde se formó el objeto que chocó con la Tierra. Si nuestro planeta y el objeto colisionador se formaron en lugares distintos del sistema solar, cada uno habrá acumulado materiales que se encontraran en su zona local del sistema solar, por lo que su composición isotópica será distinta y al analizar las proporciones de isótopos en muestras lunares y terrestres, los resultados deberían ser dispares. Si continuamos con el ejemplo del oxígeno, el isótopo 18 es un poquito más pesado que el 16 porque tiene dos neutrones más. Esto significa que la zona más cercana al Sol debería estar más enriquecida con oxígeno 18 que una zona más alejada, porque, aunque la diferencia de peso sea muy pequeña para un átomo dado, hay millones de años para que el material que forma el disco del que surgirán los planetas, se distribuya correctamente de acuerdo a la ley de la gravedad y a las distintas fuerzas que intervienen, como la presión de radiación y demás.

En cuanto al choque en sí, sabemos que no pudo ser un choque central porque la Tierra habría sido destruída en ese caso y huelga decir que no lo fue. Así que está claro que tuvo que ser un choque lateral que arrancó mucha masa de la Tierra junto con el impactador. Ese material quedaría en órbita y parte formó la Luna y parte cayó de nuevo a la Tierra. Además, al ser un choque lateral, podemos asumir que una parte grande del objeto impactante pudo quedar en órbita, saliendo despedido tras el choque. Los cálculos realizados con esa hipótesis nos indican que entre el 60 y el 80% del material del impactador salió despedido para formar parte de la Luna. Esto nos diría que si el objeto vino de otra zona lejana del sistema solar, la diferencia isotópica entre la Tierra y la Luna debería estar presente en las muestras analizadas. En resumen: en la Luna debería haber más material proveniente del impactador que de la Tierra.

Pero al analizar las muestras provenientes de la Luna con las terrestres no se ha encontrado diferencia isotópica alguna. Se intentó con el oxígeno pero también con otros isótopos estables (es decir, que estaban ya aquí hace 4.000 millones de años, durante la formación de ambos cuerpos celestes). Este análisis químico, por tanto, nos dice que el objeto que impactó con la Tierra se formó cerca de la Tierra. No fue un objeto proveniente de una zona más exterior o de los confines del Sistema Solar. Esto nos lleva a pensar que quizá ese objeto se formara en la propia órbita de la Tierra, en lo que denominamos zonas de Lagrange, que son zonas estables gravitacionalmente. Si eso fue así, algo debió de perturbar a este objeto para que abandonara esa zona estable (donde el choque es imposible) y terminara colisionando con la Tierra.

Este hecho, además, podría apoyarse en otra hipótesis que postula que el choque entre ambos objetos fue de baja energía: tras el choque se crearía una especie de atmósfera de vapor de silicatos que envolvió a la Tierra y a lo que más tarde sería la Luna. Ese material terminaría distribuyéndose por igual entre la Tierra y la Luna. Y también está en línea con lo opuesto, es decir, un choque de alta energía: no frontal, pero sí muy energético. Este choque tremendo vaporizaría el impactador y el manto de la Tierra, mezclando el material de ambos cuerpos, formando también una especie de atmósfera envolvente del material eyectado y de la propia Tierra. La Luna se formaría e iría incorporando a su material el de esa atmósfera, que a su vez caería también sobre la tierra formando el manto y la corteza actuales. Esta segunda hipótesis también explicaría que no encontremos diferencias isotópicas entre ambos cuerpos.

En una investigación reciente de Kun Wang y Stein B. Jacobsen “Potassium isotopic evidence for a high energy giant impact origin of the Moon”, publicado recientemente en Nature, estos investigadores analizaron isótopos de potasio con nuevas técnicas. Hay que tener en cuenta que la medición de la proporción de isótopos no es tarea fácil. Los isótopos son el mismo compuesto químico, por lo que reaccionan de la misma manera en un sentido químico. La única diferencia está en la masa y es extremadamente pequeña porque la masa de un neutrón es muy pequeña, del orden de 10-27 kg y un isótopo y otro se diferencian en uno o dos neutrones. En este caso, los autores hicieron estudios sobre el Potasio 39 y el 41, con dos neutrones de diferencia. Los resultados de los experimentos son muy interesantes porque muestran una diferencia entre los materiales lunares y los terrestres. Las diferencias son mínimas, 0.4 por mil de potasio 41, el más pesado, en el material lunar, pero están ahí y hay que interpretarlas.

Las conclusiones, una vez introducimos esas diferencias isotópicas en cuanto al potasio, implican un choque violento, porque la única manera de separar los dos isótopos es a temperaturas muy altas, pero cuando esta separación se da en el vacío, habría diferencias isotópicas de 100 partes por mil. La única manera de explicar lo observado, 0.4 partes por mil, es teniendo en cuenta un proceso de elevada presión, algo que sólo pudo darse si el choque fue muy energético. En resumen, los estudios isotópicos están en línea con la teoría de la gran colisión y, además, nos indican que ésta tuvo que ser muy energética y no un choque a baja velocidad, como se pensaba antes. Vamos, que casi no lo contamos.