La hipótesis del impacto gigante , a veces llamada el impacto de Theia , 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 protoplaneta del tamaño de Marte de la misma órbita hace aproximadamente 4.500 millones de años en el eón Hádico temprano (unos 20 a 100 millones de años después de que el Sistema Solar se fusionara), y la eyección del evento de impacto luego se acrecentó para formar la Luna. [1] El planeta impactador a veces se llama Theia , llamado así por la mítica titán griega 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, causando una fragmentación y una mezcla completa de ambos cuerpos progenitores. [3]
La hipótesis del impacto gigante es actualmente la hipótesis preferida entre los astrónomos para la formación lunar . [4] La evidencia que apoya 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 calentó la Tierra para 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 en una sola luna. Otras preguntas restantes incluyen cuándo la Luna perdió su parte de elementos volátiles y por qué Venus , que experimentó impactos gigantes durante su formación [ cita requerida ] , 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 separado 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 de medición 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, ajustándola para postular que la creación de la Luna fue causada por un impacto en lugar de 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 luego 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 colisionado con la Tierra, expulsando polvo refractario, 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]
El astrónomo canadiense Alastair GW Cameron y el astrónomo estadounidense William R. Ward adoptaron un enfoque similar al sugerir que la Luna se formó por el impacto tangencial sobre la Tierra de un cuerpo del tamaño de Marte. Se plantea la hipótesis de que la mayoría de los silicatos externos del cuerpo en colisión se vaporizarían, mientras que un núcleo metálico no lo haría. Por lo tanto, la mayor parte del material de colisión enviado a la órbita consistiría en silicatos, lo que dejaría a la Luna en fusión 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 la conferencia sobre los orígenes de la Luna, que se celebraría en octubre de 1984, Bill Hartmann, Roger Phillips y Jeff Taylor desafiaron a sus colegas científicos lunares: "Tenéis dieciocho meses. Volved a vuestros datos de la misión Apolo, volved a vuestro ordenador y haced lo que tengáis que hacer, pero decidíos. No vengáis a nuestra conferencia a menos que tengáis algo que decir sobre el nacimiento de la Luna". En la conferencia de 1984 celebrada en Kona (Hawai) , la hipótesis del gran impacto surgió como la más favorecida.
Antes de la conferencia, había partidarios de las tres teorías "tradicionales", además de unas cuantas personas que empezaban a tomar en serio el impacto gigante, y había un enorme sector apático que no creía que el debate se resolvería nunca. Después, hubo esencialmente sólo dos grupos: el bando del impacto gigante y los agnósticos. [13]
El nombre del hipotético protoplaneta se deriva de la mítica titán griega Theia / ˈ θ iː ə / , que dio a luz a la diosa Luna Selene . Esta designación fue propuesta inicialmente por el geoquímico inglés Alex N. Halliday en 2000 y ha sido aceptada en la comunidad científica. [2] [14] Según las teorías modernas de formación de planetas, Theia era parte de una población de cuerpos del tamaño de Marte que existían 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 ha experimentado docenas de colisiones con cuerpos del tamaño de planetas. La colisión que formó la Luna habría sido solo uno de esos "impactos gigantes", pero ciertamente el último evento de impacto significativo. El Bombardeo Pesado Tardío por asteroides mucho más pequeños puede haber ocurrido más tarde, hace aproximadamente 3.900 millones de años.
Los astrónomos creen que la colisión entre la Tierra y Theia ocurrió hace unos 4.400 a 4.450 millones de años ( bya ); alrededor de 0.100 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 golpeó 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 por debajo de los 4 kilómetros por segundo (2,5 mi/s) en el "infinito" (lo suficientemente lejos como para que la atracción gravitatoria no sea un factor), aumentando a medida que se acercaba a más de 9,3 km/s (5,8 mi/s) en el 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 joven Tierra, y la mayor parte del manto de Theia se habría acrecentado sobre el manto de la Tierra. Sin embargo, una parte significativa del material del manto tanto de Theia como de la Tierra habría sido expulsado a la órbita alrededor de la Tierra (si se hubiera expulsado a velocidades entre la velocidad orbital y la velocidad de escape ) o a órbitas individuales alrededor del Sol (si se hubiera expulsado 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; primero acrecentándose a partir de los cuerpos inicialmente presentes fuera del límite de Roche de la Tierra , que actuaron para confinar el material del disco interior dentro del límite de Roche. El disco interior se extendió lenta y viscosamente de nuevo al límite de Roche de la Tierra, empujando a los cuerpos exteriores a través de interacciones resonantes. Después de varias decenas de años, el disco se extendió más allá del límite de Roche y comenzó a producir nuevos objetos que continuaron el crecimiento de la Luna, hasta que el disco interior se agotó en masa después de varios cientos de años. Por lo tanto, era probable que el material en órbitas Kepler estables golpeara el sistema Tierra-Luna algún tiempo después (porque la órbita Kepler del sistema Tierra-Luna alrededor del Sol también permanece estable). Las estimaciones basadas en simulaciones por computadora de un evento de este tipo sugieren que aproximadamente el 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 fusionó en la Luna. La Tierra habría ganado cantidades significativas de momento angular y masa a partir de una colisión de este tipo. Independientemente de la velocidad y la inclinación de la rotación de la Tierra antes del impacto, habría experimentado un día de unas cinco horas de duración 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 debió haber sido barrido de inmediato: la corteza engrosada del lado lejano de la Luna sugiere la posibilidad de que una segunda luna de unos 1000 km (620 mi) de diámetro se formara en un punto de Lagrange de la Luna. La luna más pequeña puede haber 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 "arrojó" a la luna más pequeña sobre lo que ahora es el lado lejano de la Luna, agregando material a su corteza. [21] [22] El magma lunar no puede perforar la corteza gruesa 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 descubre que los impactos gigantes pueden colocar inmediatamente un satélite con una masa y un contenido de hierro similares a los de la Luna en una órbita muy fuera del límite de Roche de la Tierra. Incluso los satélites que pasan inicialmente dentro del límite de Roche pueden sobrevivir de manera confiable y predecible, al ser despojados parcialmente y luego empujados hacia órbitas más amplias y estables. Además, las capas externas de estos satélites formados directamente están fundidas sobre interiores más fríos y están compuestas por alrededor del 60% de material proto-terrestre. Esto podría aliviar la tensión entre la composición isotópica similar a la de la Tierra de la Luna y la firma diferente 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 las rocas de la Tierra y eran diferentes de casi todos los demás cuerpos del Sistema Solar. [6]
En 2014, un equipo de Alemania informó que las muestras de Apolo tenían una firma isotópica ligeramente diferente a la de las rocas terrestres. [25] La diferencia era 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 Tecnológico 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 gran impacto, mientras la Tierra y el disco proto-lunar se fundían y vaporizaban, los dos depósitos estaban conectados por una atmósfera de vapor de silicato común y que el sistema Tierra-Luna se homogeneizó por agitación convectiva mientras el sistema existía en forma de fluido continuo. Tal "equilibrio" entre la Tierra posterior al impacto y el disco proto-lunar 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 proto-lunar tendría que perdurar durante unos 100 años. Se está trabajando [ ¿cuándo? ] para determinar si esto es posible o no.
Según una investigación (2012) para explicar la composición similar de la Tierra y la Luna basada en simulaciones realizadas en la Universidad de Berna por el físico Andreas Reufer y sus colegas, Theia colisionó directamente con la Tierra en lugar de apenas rozarla. La velocidad de la colisión puede haber sido mayor que la supuesta originalmente, y esta mayor velocidad puede haber destruido totalmente a Theia. Según esta modificación, la composición de Theia no está tan restringida, lo que hace posible una composición de hasta un 50% de hielo de agua. [28]
En 2018, se intentó homogeneizar los productos de la colisión con el fin de energizar el cuerpo primario mediante una mayor velocidad de rotación previa a la colisión. De esta manera, se desprendería más material del cuerpo primario para formar la Luna. Un modelado informático posterior determinó que el resultado observado podría obtenerse haciendo que el cuerpo anterior a la Tierra girara muy rápidamente, tanto que formara un nuevo objeto celeste al que se le dio el nombre de " sinestia ". Se trata de un estado inestable que podría haberse generado mediante otra colisión para que la rotación girara lo suficientemente rápido. Un modelado posterior de esta estructura transitoria ha demostrado que el cuerpo primario que giraba como un objeto con forma de rosquilla (la sinestia) existió durante aproximadamente un siglo (un tiempo muy corto) [ cita requerida ] 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 formarse la Tierra, estuvo cubierta por un mar de magma caliente , mientras que el objeto impactante probablemente estaba hecho de material sólido. El modelo sugiere que esto llevaría a que el impacto calentara el magma mucho más que los sólidos del objeto impactante, lo que llevaría a que se expulsara más material de la proto-Tierra, de modo que aproximadamente el 80% de los escombros que formaron la Luna se originaron en la proto-Tierra. Muchos modelos anteriores habían sugerido que el 80% de la Luna provenía del impactador. [31] [32]
La evidencia indirecta del escenario de 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 podría haber suministrado fácilmente 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 menor que aproximadamente el 25% del radio de la Luna, en contraste con aproximadamente el 50% para la mayoría de los otros cuerpos terrestres . Las condiciones de impacto apropiadas que satisfacen las restricciones de momento angular del sistema Tierra-Luna producen una Luna formada principalmente a partir de los mantos de la Tierra y el impactador, mientras que el núcleo del impactador se acreta a la Tierra. [33] La Tierra tiene la densidad más alta 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 de Theia.
La comparación de la composición isotópica de zinc de las 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 rocas ígneas correspondientes 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 material eyectado que escapa de la gravedad de la Tierra y asteroides habrían dejado señales de calentamiento por impacto en meteoritos rocosos; el análisis basado en la suposición de la existencia de este efecto se ha utilizado para datar 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) entre cuerpos rocosos, alrededor de la estrella joven (~12 My de edad) HD 172555, cercana (a 29 pc de distancia), en el grupo móvil Beta Pictoris . [40] Un cinturón de polvo cálido en una zona entre 0,25 UA y 2 UA de la estrella joven HD 23514 en el cúmulo de las Pléyades parece similar a los resultados predichos de la colisión de Theia con la Tierra embrionaria, y se ha interpretado como el resultado de objetos del tamaño de planetas que chocan entre sí. [41] Un cinturón similar de polvo cálido se detectó 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 presenta 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 de ese tipo 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 por un impacto de este tipo, es posible que otros planetas interiores también hayan estado sujetos a impactos comparables. Una luna que se formara alrededor de Venus por este proceso habría tenido pocas posibilidades de escapar. Si tal evento de formación lunar hubiera ocurrido allí, una posible explicación de por qué el planeta no tiene una luna así 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 tenderían a desestabilizar las órbitas de las lunas alrededor de planetas cercanos. Por esta razón, si la lenta velocidad de rotación de Venus comenzó temprano en su historia, cualquier satélite más grande que unos pocos kilómetros de diámetro probablemente habría girado en espiral hacia el interior y colisionado con Venus. [55]
Las simulaciones del caótico período de formación de los planetas terrestres sugieren que los impactos como los que se supone que formaron la Luna eran comunes. En el caso de los planetas terrestres típicos con una masa de 0,5 a 1 masa terrestre, un impacto de este tipo suele dar como resultado una única 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 a la evolución dinámica posterior del sistema. Por ejemplo, algunas órbitas pueden hacer que la luna se incline en espiral hacia el planeta. Del mismo modo, 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 unos 60° por delante o por detrás), [57] [58] de manera similar a un asteroide troyano . [5] Los modelos informáticos bidimensionales sugieren que la estabilidad de la órbita troyana propuesta de Theia se habría visto afectada cuando su masa creciente 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 hicieron que Theia se alejara de su ubicación lagrangiana estable, y las interacciones posteriores con la proto-Tierra llevaron a una colisión entre los dos cuerpos. [57]
En 2008, se presentó evidencia que sugiere que la colisión podría haber ocurrido más tarde que el 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 millones de años después de la formación del Sistema Solar. [60]
Se ha sugerido que otros objetos importantes podrían haber sido creados por el impacto, que podrían haber permanecido en órbita entre la Tierra y la Luna, atrapados en puntos de Lagrange. Dichos objetos podrían haber permanecido dentro del sistema Tierra-Luna durante 100 millones de años, hasta que los tirones gravitacionales de otros planetas desestabilizaron el sistema lo suficiente como para liberarlos. [61] Un estudio publicado en 2011 sugirió que una colisión posterior entre la Luna y uno de estos cuerpos más pequeños causó las notables diferencias 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 lado oculto ), añadiendo una gruesa capa de corteza de tierras altas. [63] Las irregularidades de masa resultantes producirían posteriormente un gradiente de gravedad que dio lugar al bloqueo de marea de la Luna, de modo que hoy en día, solo el lado cercano sigue siendo visible desde la Tierra. Sin embargo, el mapeo de la misión GRAIL ha descartado este escenario. [ cita requerida ]
En 2019, un equipo de la Universidad de Münster informó que la composición isotópica del molibdeno en el manto primitivo de la Tierra se origina en el Sistema Solar exterior, lo que sugiere la fuente del 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 diversas ocasiones para explicar el origen de la Luna son que la Luna se desprendió de la superficie fundida de la Tierra por la fuerza centrífuga [9] ; que se formó en otro lugar y posteriormente fue capturada por el campo gravitatorio 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 alto 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 escombros 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, hace 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, y ambos cuerpos compartirían una atmósfera de vapor de metal de plasma común. El puente de vapor de metal compartido habría permitido que el material de la Tierra y la proto-Luna se intercambiaran y se equilibraran en una composición más común. [67] [68]
Otra hipótesis 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 estaba rodeada por un disco de material que se acrecentó para formar la Luna. Esta hipótesis podría explicar evidencia que otras no explican. [70]
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