La hipótesis del impacto gigante , a veces llamada Big Splash o Theia Impact , es una hipótesis astrogeológica para la formación de la Luna propuesta por primera vez en 1946 por el geólogo canadiense Reginald Daly . La hipótesis sugiere que la Tierra primitiva chocó con un planeta enano del tamaño de Marte de la misma órbita hace aproximadamente 4.500 millones de años en el eón Hadeano temprano (entre 20 y 100 millones de años después de que se fusionara el Sistema Solar ), y las eyecciones del evento de impacto Posteriormente se acrecentó para formar la Luna. [1] El planeta impactador a veces se llama Theia , en honor al mítico titán griego que era la madre de Selene , la diosa de la Luna. [2]
El análisis de las rocas lunares publicado en un informe de 2016 sugiere que el impacto podría haber sido un golpe directo, provocando una fragmentación y una mezcla profunda de ambos cuerpos progenitores. [3]
La hipótesis del impacto gigante es actualmente la hipótesis favorita entre los astrónomos sobre la formación de la Luna. [4] La evidencia que respalda esta hipótesis incluye:
Sin embargo, quedan varias preguntas sobre los mejores modelos actuales de la hipótesis del impacto gigante. [7] Se predice que la energía de un impacto tan gigante habría calentado la Tierra hasta producir un océano de magma global , y se ha documentado evidencia de la diferenciación planetaria resultante del material más pesado que se hunde en el manto de la Tierra. [8] Sin embargo, no existe un modelo autoconsistente que comience con el evento de impacto gigante y siga la evolución de los escombros hasta formar una sola luna. Otras preguntas pendientes incluyen cuándo la Luna perdió su parte de elementos volátiles y por qué Venus , que experimentó impactos gigantes durante su formación [ cita necesaria ] , no alberga una luna similar.
En 1898, George Darwin sugirió que la Tierra y la Luna alguna vez fueron un solo cuerpo. La hipótesis de Darwin era que una Luna fundida se había desprendido de la Tierra debido a fuerzas centrífugas , y esta se convirtió en la explicación académica dominante. [9] Utilizando la mecánica newtoniana , calculó que la Luna había orbitado mucho más cerca en el pasado y se estaba alejando de la Tierra. Esta deriva fue confirmada más tarde por experimentos estadounidenses y soviéticos , utilizando objetivos láser colocados en la Luna.
Sin embargo, los cálculos de Darwin no pudieron resolver la mecánica necesaria para rastrear la Luna hasta la superficie de la Tierra. En 1946, Reginald Aldworth Daly, de la Universidad de Harvard , cuestionó la explicación de Darwin y la ajustó para postular que la creación de la Luna fue causada por un impacto y no por fuerzas centrífugas. [10] Se prestó poca atención al desafío del profesor Daly hasta una conferencia sobre satélites en 1974, durante la cual la idea fue reintroducida y posteriormente publicada y discutida en Icarus en 1975 por William K. Hartmann y Donald R. Davis . Sus modelos sugirieron que, al final del período de formación de los planetas, se habían formado varios cuerpos del tamaño de satélites que podrían colisionar con los planetas o ser capturados. Propusieron que uno de estos objetos podría haber chocado con la Tierra, expulsando polvo refractario y pobre en volátiles que podría fusionarse para formar la Luna. Esta colisión podría explicar potencialmente las propiedades geológicas y geoquímicas únicas de la Luna. [11]
Un enfoque similar fue adoptado por el astrónomo canadiense Alastair GW Cameron y el astrónomo estadounidense William R. Ward , quienes sugirieron que la Luna se formó por el impacto tangencial sobre la Tierra de un cuerpo del tamaño de Marte. Se supone que la mayoría de los silicatos externos del cuerpo en colisión se vaporizarían, mientras que un núcleo metálico no. Por lo tanto, la mayor parte del material de colisión enviado a órbita estaría compuesto de silicatos, lo que dejaría a la Luna coalescente deficiente en hierro. Los materiales más volátiles que se emitieron durante la colisión probablemente escaparían del Sistema Solar, mientras que los silicatos tenderían a fusionarse. [12]
Dieciocho meses antes de una conferencia sobre los orígenes lunares en octubre de 1969, Bill Hartmann, Roger Phillips y Jeff Taylor desafiaron a sus colegas científicos lunares: "Tienen dieciocho meses. Vuelvan a sus datos del Apolo, vuelvan a su computadora y hagan lo que tengan. "Pero decídete. No vengas a nuestra conferencia a menos que tengas algo que decir sobre el nacimiento de la Luna". En la conferencia de 1969 en Kona, Hawaii , la hipótesis del impacto gigante surgió como la hipótesis más favorecida.
Antes de la conferencia, había partidarios de las tres teorías "tradicionales", además de algunas personas que comenzaban a tomarse en serio el gigantesco impacto, y había un enorme grupo apático en el medio que no creía que el debate se resolvería alguna vez. Después, básicamente sólo quedaron dos grupos: el campo del impacto gigante y los agnósticos. [13]
El nombre del protoplaneta hipotético se deriva del mítico titán griego Theia / ˈθiːə / , que dio a luz a la diosa Luna Selene . Esta designación fue propuesta inicialmente por el geoquímico inglés Alex N. Halliday en el año 2000 y ha sido aceptada en la comunidad científica. [2] [14] Según las teorías modernas sobre la formación de planetas, Theia era parte de una población de cuerpos del tamaño de Marte que existieron en el Sistema Solar hace 4.500 millones de años. Una de las características atractivas de la hipótesis del impacto gigante es que la formación de la Luna y la Tierra se alinean; Durante el curso de su formación, se cree que la Tierra experimentó docenas de colisiones con cuerpos del tamaño de un planeta. La colisión de formación de la Luna habría sido sólo uno de esos "impactos gigantes", pero ciertamente el último evento significativo de impacto. El intenso bombardeo tardío realizado por asteroides mucho más pequeños se produjo más tarde, hace aproximadamente 3.900 millones de años.
Los astrónomos creen que la colisión entre la Tierra y Theia ocurrió aproximadamente entre 4,4 y 4,45 millones de años ; unos 100 millones de años después de que el Sistema Solar comenzara a formarse . [15] [16] En términos astronómicos, el impacto habría sido de velocidad moderada. Se cree que Theia chocó contra la Tierra en un ángulo oblicuo cuando la Tierra estaba casi completamente formada. Las simulaciones por computadora de este escenario de "impacto tardío" sugieren una velocidad inicial del impactador inferior a 4 kilómetros por segundo (2,5 millas/s) en el "infinito" (lo suficientemente lejos como para que la atracción gravitacional no sea un factor), aumentando a medida que se acerca a más de 9,3 km. /s (5,8 mi/s) en el momento del impacto y un ángulo de impacto de aproximadamente 45°. [17] Sin embargo, la abundancia de isótopos de oxígeno en la roca lunar sugiere una "mezcla vigorosa" de Theia y la Tierra, lo que indica un ángulo de impacto pronunciado. [3] [18] El núcleo de hierro de Theia se habría hundido en el núcleo de la Tierra joven, y la mayor parte del manto de Theia se habría acrecentado sobre el manto de la Tierra. Sin embargo, una porción significativa del material del manto tanto de Theia como de la Tierra habría sido expulsado a órbita alrededor de la Tierra (si se expulsa con velocidades entre la velocidad orbital y la velocidad de escape ) o a órbitas individuales alrededor del Sol (si se expulsa a velocidades más altas).
Los modelos [19] han planteado la hipótesis de que el material en órbita alrededor de la Tierra puede haberse acumulado para formar la Luna en tres fases consecutivas; acrecentándose primero a partir de los cuerpos inicialmente presentes fuera del límite de Roche de la Tierra , que actuaron para confinar el material del disco interno dentro del límite de Roche. El disco interno se extendió lenta y viscosamente hasta el límite de Roche de la Tierra, empujando los cuerpos externos a través de interacciones resonantes. Después de varias decenas de años, el disco se expandió más allá del límite de Roche y comenzó a producir nuevos objetos que continuaron el crecimiento de la Luna, hasta que el disco interior perdió masa después de varios cientos de años. Por lo tanto, era probable que el material en órbitas estables de Kepler chocara contra el sistema Tierra-Luna algún tiempo después (porque la órbita de Kepler del sistema Tierra-Luna alrededor del Sol también permanece estable). Las estimaciones basadas en simulaciones por computadora de tal evento sugieren que alrededor del veinte por ciento de la masa original de Theia habría terminado como un anillo de escombros en órbita alrededor de la Tierra, y aproximadamente la mitad de esta materia se habría fusionado en la Luna. La Tierra habría ganado cantidades significativas de momento angular y masa a partir de tal colisión. Independientemente de la velocidad y la inclinación de la rotación de la Tierra antes del impacto, habría experimentado un día unas cinco horas después del impacto, y el ecuador de la Tierra y la órbita de la Luna se habrían vuelto coplanares . [20]
No todo el material del anillo necesario ha sido barrido de inmediato: la corteza engrosada de la cara oculta de la Luna sugiere la posibilidad de que se haya formado una segunda luna de unos 1.000 km (620 millas) de diámetro en un punto de Lagrange de la Luna. Es posible que la luna más pequeña haya permanecido en órbita durante decenas de millones de años. A medida que las dos lunas migraron hacia afuera de la Tierra, los efectos de las mareas solares habrían hecho que la órbita de Lagrange fuera inestable, lo que resultó en una colisión de baja velocidad que "arrolló" a la luna más pequeña a lo que ahora es el lado oculto de la Luna, agregando material a su corteza. . [21] [22] El magma lunar no puede atravesar la gruesa corteza del lado lejano, lo que causa menos mares lunares , mientras que el lado cercano tiene una corteza delgada que muestra los grandes mares visibles desde la Tierra. [23]
Por encima de un umbral de alta resolución para simulaciones, un estudio publicado en 2022 encuentra que impactos gigantes pueden colocar inmediatamente un satélite con masa y contenido de hierro similar a la Luna en órbita muy fuera del límite de Roche de la Tierra. Incluso los satélites que inicialmente pasan dentro del límite de Roche pueden sobrevivir de manera confiable y predecible, si se los desmonta parcialmente y luego se los coloca en órbitas más amplias y estables. Además, las capas exteriores de estos satélites formados directamente se funden sobre interiores más fríos y están compuestas por alrededor de un 60% de material prototerrestre. Esto podría aliviar la tensión entre la composición isotópica de la Luna, similar a la de la Tierra, y la diferente firma esperada para el impactador. La formación inmediata abre nuevas opciones para la órbita temprana y la evolución de la Luna, incluida la posibilidad de una órbita muy inclinada para explicar la inclinación lunar, y ofrece un escenario más simple de una sola etapa para el origen de la Luna. [24]
En 2001, un equipo de la Institución Carnegie de Washington informó que las rocas del programa Apolo tenían una firma isotópica idéntica a la de las rocas de la Tierra y eran diferentes de casi todos los demás cuerpos del Sistema Solar. [6]
En 2014, un equipo en Alemania informó que las muestras del Apolo tenían una firma isotópica ligeramente diferente a la de las rocas terrestres. [25] La diferencia fue leve, pero estadísticamente significativa. Una posible explicación es que Theia se formó cerca de la Tierra. [26]
Estos datos empíricos que muestran una gran similitud en la composición sólo pueden explicarse mediante la hipótesis estándar del impacto gigante, ya que es extremadamente improbable que dos cuerpos antes de la colisión tuvieran una composición tan similar.
En 2007, investigadores del Instituto de Tecnología de California demostraron que la probabilidad de que Theia tuviera una firma isotópica idéntica a la de la Tierra era muy pequeña (menos del 1 por ciento). [27] Propusieron que después del impacto gigante, mientras la Tierra y el disco protolunar se fundían y vaporizaban, los dos depósitos estaban conectados por una atmósfera de vapor de silicato común y que el sistema Tierra-Luna se homogeneizaba mediante agitación convectiva. mientras que el sistema existía en forma de un fluido continuo. Tal "equilibrio" entre la Tierra después del impacto y el disco protolunar es el único escenario propuesto que explica las similitudes isotópicas de las rocas de Apolo con las rocas del interior de la Tierra. Sin embargo, para que este escenario sea viable, el disco protolunar tendría que perdurar unos 100 años. El trabajo está en curso [ ¿cuándo? ] para determinar si esto es posible o no.
Según una investigación (2012) para explicar composiciones similares de la Tierra y la Luna basada en simulaciones realizadas en la Universidad de Berna por el físico Andreas Reufer y sus colegas, Theia chocó directamente con la Tierra en lugar de apenas rozarla. La velocidad de colisión puede haber sido mayor de lo que se suponía originalmente, y esta mayor velocidad puede haber destruido totalmente a Theia. Según esta modificación, la composición de Theia no está tan restringida, posibilitando una composición de hasta un 50% de agua helada. [28]
Un esfuerzo, en 2018, para homogeneizar los productos de la colisión fue energizar el cuerpo primario mediante una mayor velocidad de rotación previa a la colisión. De esta manera, se separaría más material del cuerpo primario para formar la Luna. Otros modelos informáticos determinaron que el resultado observado podría obtenerse haciendo que el cuerpo anterior a la Tierra girara muy rápidamente, hasta el punto de formar un nuevo objeto celeste al que se le dio el nombre de ' sinestia '. Este es un estado inestable que podría haber sido generado por otra colisión más para que la rotación girara lo suficientemente rápido. Un modelado adicional de esta estructura transitoria ha demostrado que el cuerpo primario que gira como un objeto con forma de rosquilla (la sinestia) existió durante aproximadamente un siglo (muy poco tiempo) [ cita necesaria ] antes de enfriarse y dar origen a la Tierra y la Luna. . [29] [30]
Otro modelo, de 2019, para explicar la similitud de las composiciones de la Tierra y la Luna postula que poco después de que la Tierra se formara, quedó cubierta por un mar de magma caliente , mientras que el objeto que impactó probablemente estaba hecho de material sólido. Los modelos sugieren que esto provocaría que el impacto calentara el magma mucho más que los sólidos del objeto impactante, lo que provocaría la expulsión de más material de la protoTierra, de modo que alrededor del 80% de los desechos que se formaron en la Luna se originaron en la protoTierra. . Muchos modelos anteriores habían sugerido que el 80% de la Luna provendría del impactador. [31] [32]
La evidencia indirecta del escenario del impacto gigante proviene de rocas recolectadas durante los alunizajes del Apolo , que muestran proporciones de isótopos de oxígeno casi idénticas a las de la Tierra. La composición altamente anortosítica de la corteza lunar, así como la existencia de muestras ricas en KREEP , sugieren que una gran parte de la Luna alguna vez estuvo fundida; y un escenario de impacto gigante fácilmente podría haber suministrado la energía necesaria para formar tal océano de magma . Varias líneas de evidencia muestran que si la Luna tiene un núcleo rico en hierro , debe ser pequeño. En particular, la densidad media, el momento de inercia, la firma rotacional y la respuesta de inducción magnética de la Luna sugieren que el radio de su núcleo es menos de aproximadamente el 25% del radio de la Luna, en contraste con aproximadamente el 50% para la mayoría de las regiones. los demás cuerpos terrestres . Las condiciones de impacto apropiadas que satisfacen las limitaciones del momento angular del sistema Tierra-Luna producen una Luna formada principalmente por los mantos de la Tierra y el impactador, mientras que el núcleo del impactador se acumula hacia la Tierra. [33] La Tierra tiene la mayor densidad de todos los planetas del Sistema Solar; [34] la absorción del núcleo del cuerpo impactador explica esta observación, dadas las propiedades propuestas de la Tierra primitiva y Theia.
La comparación de la composición isotópica de zinc de muestras lunares con la de las rocas de la Tierra y Marte proporciona más evidencia para la hipótesis del impacto. [35] El zinc se fracciona fuertemente cuando se volatiliza en rocas planetarias, [36] [37] pero no durante los procesos ígneos normales , [38] por lo que la abundancia de zinc y la composición isotópica pueden distinguir los dos procesos geológicos. Las rocas lunares contienen más isótopos pesados de zinc y, en general, menos zinc que las correspondientes rocas ígneas de la Tierra o Marte, lo que es consistente con el agotamiento del zinc de la Luna a través de la evaporación, como se esperaba para el origen del impacto gigante. [35]
Las colisiones entre los objetos eyectados que escapan de la gravedad de la Tierra y los asteroides habrían dejado huellas de calentamiento en los meteoritos pedregosos; Se ha utilizado un análisis basado en asumir la existencia de este efecto para fechar el evento de impacto hace 4.470 millones de años, de acuerdo con la fecha obtenida por otros medios. [39]
El Telescopio Espacial Spitzer ha detectado polvo cálido rico en sílice y abundante gas SiO, productos de impactos de alta velocidad (más de 10 km/s (6,2 mi/s)) entre cuerpos rocosos, alrededor de los jóvenes cercanos (a 29 pc de distancia). ~12 Mi vieja) estrella HD 172555 en el grupo móvil Beta Pictoris . [40] Un cinturón de polvo cálido en una zona entre 0,25 AU y 2 AU de la joven estrella HD 23514 en el cúmulo de las Pléyades parece similar a los resultados previstos de la colisión de Theia con la Tierra embrionaria, y se ha interpretado como el resultado de la colisión planetaria. objetos de gran tamaño chocan entre sí. [41] Se detectó un cinturón similar de polvo cálido alrededor de la estrella BD+20°307 (HIP 8920, SAO 75016). [42]
El 1 de noviembre de 2023, los científicos informaron que, según simulaciones por computadora, los restos de Theia aún podrían ser visibles dentro de la Tierra como dos anomalías gigantes del manto terrestre. [43] [44]
Esta hipótesis del origen lunar tiene algunas dificultades que aún no se han resuelto. Por ejemplo, la hipótesis del impacto gigante implica que se habría formado un océano de magma en la superficie después del impacto. Sin embargo, no hay evidencia de que la Tierra haya tenido alguna vez un océano de magma y es probable que exista material que nunca haya sido procesado en un océano de magma. [45]
Es necesario abordar una serie de inconsistencias compositivas.
Si la Luna se formó mediante un impacto de este tipo, es posible que otros planetas interiores también hayan sufrido impactos comparables. Una luna que se formó alrededor de Venus mediante este proceso probablemente no habría escapado. Si tal evento de formación de luna hubiera ocurrido allí, una posible explicación de por qué el planeta no tiene tal luna podría ser que ocurrió una segunda colisión que contrarrestó el momento angular del primer impacto. [54] Otra posibilidad es que las fuertes fuerzas de marea del Sol tiendan a desestabilizar las órbitas de las lunas alrededor de planetas cercanos. Por esta razón, si la lenta velocidad de rotación de Venus comenzara temprano en su historia, cualquier satélite de más de unos pocos kilómetros de diámetro probablemente habría girado en espiral hacia adentro y chocado con Venus. [55]
Las simulaciones del período caótico de formación de planetas terrestres sugieren que impactos como los que se supone que formaron la Luna fueron comunes. Para los planetas terrestres típicos con una masa de 0,5 a 1 masa terrestre, un impacto de este tipo normalmente da como resultado una sola luna que contiene el 4% de la masa del planeta anfitrión. La inclinación de la órbita de la luna resultante es aleatoria, pero esta inclinación afecta la evolución dinámica posterior del sistema. Por ejemplo, algunas órbitas pueden hacer que la luna regrese al planeta en espiral. Asimismo, la proximidad del planeta a la estrella también afectará a la evolución orbital. El efecto neto es que es más probable que las lunas generadas por impactos sobrevivan cuando orbitan planetas terrestres más distantes y están alineadas con la órbita planetaria. [56]
En 2004, el matemático de la Universidad de Princeton Edward Belbruno y el astrofísico J. Richard Gott III propusieron que Theia se fusionó en el punto lagrangiano L 4 o L 5 con respecto a la Tierra (aproximadamente en la misma órbita y aproximadamente 60° por delante o por detrás), [57] [ 58] similar a un asteroide troyano . [5] Los modelos informáticos bidimensionales sugieren que la estabilidad de la órbita troyana propuesta por Theia se habría visto afectada cuando su creciente masa excedió un umbral de aproximadamente el 10% de la masa de la Tierra (la masa de Marte). [57] En este escenario, las perturbaciones gravitacionales de los planetesimales provocaron que Theia se alejara de su ubicación lagrangiana estable, y las interacciones posteriores con la proto-Tierra condujeron a una colisión entre los dos cuerpos. [57]
En 2008, se presentaron pruebas que sugieren que la colisión podría haber ocurrido más tarde del valor aceptado de 4,53 Gya , aproximadamente 4,48 Gya. [59] Una comparación de 2014 de simulaciones por computadora con mediciones de abundancia elemental en el manto de la Tierra indicó que la colisión ocurrió aproximadamente 95 Ma después de la formación del Sistema Solar. [60]
Se ha sugerido que el impacto podría haber creado otros objetos importantes, que podrían haber quedado en la órbita entre la Tierra y la Luna, atrapados en puntos de Lagrangian. Estos objetos podrían haber permanecido dentro del sistema Tierra-Luna durante hasta 100 millones de años, hasta que los tirones gravitacionales de otros planetas desestabilizaron el sistema lo suficiente como para liberar los objetos. [61] Un estudio publicado en 2011 sugirió que una colisión posterior entre la Luna y uno de estos cuerpos más pequeños causó las diferencias notables en las características físicas entre los dos hemisferios de la Luna. [62] Esta colisión, según han apoyado las simulaciones, habría sido a una velocidad lo suficientemente baja como para no formar un cráter; en cambio, el material del cuerpo más pequeño se habría extendido por la Luna (en lo que se convertiría en su cara oculta ), añadiendo una gruesa capa de corteza montañosa. [63] Las irregularidades de masa resultantes producirían posteriormente un gradiente de gravedad que resultó en el bloqueo de las mareas de la Luna, de modo que hoy en día, sólo el lado cercano permanece visible desde la Tierra. Sin embargo, el mapeo realizado por la misión GRAIL ha descartado este escenario. [ cita necesaria ]
En 2019, un equipo de la Universidad de Münster informó que la composición isotópica de molibdeno en el manto primitivo de la Tierra se origina en el Sistema Solar exterior, lo que sugiere la fuente de agua en la Tierra. Una posible explicación es que Theia se originó en el Sistema Solar exterior. [64]
Otros mecanismos que se han sugerido en varios momentos para el origen de la Luna son que la Luna se desprendió de la superficie fundida de la Tierra por fuerza centrífuga ; [9] que se formó en otro lugar y posteriormente fue capturado por el campo gravitacional de la Tierra; [65] o que la Tierra y la Luna se formaron al mismo tiempo y lugar a partir del mismo disco de acreción . Ninguna de estas hipótesis puede explicar el elevado momento angular del sistema Tierra-Luna. [20]
Otra hipótesis atribuye la formación de la Luna al impacto de un gran asteroide con la Tierra mucho más tarde de lo que se pensaba anteriormente, creando el satélite principalmente a partir de restos de la Tierra. En esta hipótesis, la formación de la Luna ocurre entre 60 y 140 millones de años después de la formación del Sistema Solar (en comparación con el impacto hipotético de Theia en 4,527 ± 0,010 mil millones de años). [66] El impacto del asteroide en este escenario habría creado un océano de magma en la Tierra y la proto-Luna con ambos cuerpos compartiendo una atmósfera común de vapor de plasma metálico. El puente de vapor de metal compartido habría permitido que el material de la Tierra y la protoluna se intercambiara y equilibrara en una composición más común. [67] [68]
Otra hipótesis más propone que la Luna y la Tierra se formaron juntas, no a partir de la colisión de cuerpos que alguna vez estuvieron distantes. Este modelo, publicado en 2012 por Robin M. Canup , sugiere que la Luna y la Tierra se formaron a partir de una colisión masiva de dos cuerpos planetarios, cada uno más grande que Marte, que luego volvieron a colisionar para formar lo que ahora se llama Tierra. [69] [70] Después de la nueva colisión, la Tierra quedó rodeada por un disco de material que se acumuló para formar la Luna. Esta hipótesis podría explicar evidencia que otras no explican. [70]
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