El origen de la Luna se suele explicar por un cuerpo del tamaño de Marte que chocó contra la Tierra , creando un anillo de escombros que finalmente se acumuló en un solo satélite natural , la Luna , pero hay varias variaciones de esta hipótesis de impacto gigante , así como explicaciones alternativas, y la investigación continúa sobre cómo se formó la Luna. [1] [2] Otros escenarios propuestos incluyen cuerpo capturado, fisión, formación conjunta (teoría de la condensación, sinestia ), colisiones planetesimales (formadas a partir de cuerpos similares a asteroides) y teorías de colisión. [3]
La hipótesis estándar del impacto gigante sugiere que un cuerpo del tamaño de Marte llamado Theia impactó la proto-Tierra, creando un gran anillo de escombros alrededor de la Tierra, que luego se acrecentó para formar la Luna. Esta colisión también resultó en el eje inclinado 23,5° de la Tierra, causando así las estaciones . [1] [ cita irrelevante ] Las proporciones isotópicas de oxígeno de la Luna parecen ser esencialmente idénticas a las de la Tierra. [4] Las proporciones isotópicas de oxígeno, que pueden medirse con mucha precisión, producen una firma única y distinta para cada cuerpo del Sistema Solar . [5] Si Theia hubiera sido un protoplaneta separado , probablemente habría tenido una firma isotópica de oxígeno diferente a la proto-Tierra, al igual que el material mixto expulsado. [6] Además, la proporción de isótopos de titanio de la Luna ( 50 Ti / 47 Ti ) parece tan cercana a la de la Tierra (dentro de 4 partes por millón) que poco o nada de la masa del cuerpo en colisión podría haber sido parte de la Luna. [7]
"Uno de los desafíos a la antigua teoría de la colisión es que un cuerpo impactante del tamaño de Marte, cuya composición probablemente habría diferido sustancialmente de la de la Tierra, probablemente habría dejado a la Tierra y a la Luna con composiciones químicas diferentes, lo cual no es así".
—NASA [1]
Se han formulado algunas teorías que suponen que la proto-Tierra no tenía grandes lunas en los inicios de la formación del Sistema Solar, hace 4.425 millones de años, y que la Tierra estaba formada básicamente por roca y lava. Theia , un protoplaneta primitivo del tamaño de Marte, chocó con la Tierra de tal manera que expulsó una cantidad considerable de material de la Tierra. Una parte de este material expulsado escapó al espacio, pero el resto se consolidó en un único cuerpo esférico en órbita alrededor de la Tierra, creando la Luna.
La hipótesis requiere una colisión entre una proto-Tierra de aproximadamente el 90% del diámetro de la Tierra actual y otro cuerpo del diámetro de Marte (la mitad del diámetro terrestre y una décima parte de su masa). A este último se lo ha denominado a veces Theia , el nombre de la madre de Selene , la diosa de la Luna en la mitología griega . Esta relación de tamaño es necesaria para que el sistema resultante tenga el momento angular suficiente para coincidir con la configuración orbital actual. Un impacto de este tipo habría puesto suficiente material en órbita alrededor de la Tierra para que finalmente se hubiera acumulado y formado la Luna.
Las simulaciones por ordenador muestran que es necesario un impacto oblicuo, que hace que una parte del colisionador forme un largo brazo de material que luego se desprende. La forma asimétrica de la Tierra tras la colisión hace que este material se asiente en una órbita alrededor de la masa principal. La energía involucrada en esta colisión es impresionante: posiblemente billones de toneladas de material se habrían vaporizado y fundido. En algunas partes de la Tierra, la temperatura habría aumentado hasta los 10.000 °C (18.000 °F).
El núcleo de hierro relativamente pequeño de la Luna (en comparación con otros planetas y lunas rocosos del Sistema Solar) se explica por el hecho de que el núcleo de Theia se fusionó en su mayor parte con el de la Tierra. La falta de volátiles en las muestras lunares también se explica en parte por la energía de la colisión. La energía liberada durante la reacreción de material en órbita alrededor de la Tierra habría sido suficiente para fundir una gran parte de la Luna, lo que dio lugar a la generación de un océano de magma .
La Luna recién formada orbitaba a una distancia de aproximadamente una décima parte de la actual y se desplazó en espiral hacia afuera debido a la fricción de las mareas, que transfirió el momento angular de las rotaciones de ambos cuerpos al movimiento orbital de la Luna. A lo largo del camino, la rotación de la Luna se sincronizaba con la Tierra por las mareas, de modo que un lado de la Luna está continuamente orientado hacia la Tierra. Además, la Luna habría chocado con cualquier pequeño satélite preexistente de la Tierra y lo habría incorporado, lo que habría compartido la composición de la Tierra, incluidas las abundancias isotópicas. Desde entonces, la geología de la Luna ha sido más independiente de la Tierra.
Un estudio de 2012 sobre el agotamiento de los isótopos de zinc en la Luna encontró evidencia de un agotamiento volátil consistente con el origen de la Tierra y la Luna por un impacto gigante. [8] En 2013, se publicó un estudio que indicaba que el agua en el magma lunar es indistinguible de la de las condritas carbonáceas y casi igual a la de la Tierra en composición isotópica . [9] [10] [11]
Aunque la hipótesis del impacto gigante explica muchos aspectos del sistema Tierra-Luna, todavía hay algunos problemas sin resolver, como por ejemplo que los elementos volátiles de la Luna no se agoten tanto como se esperaba tras un impacto tan enérgico. [12]
Otro problema son las comparaciones de isótopos entre la Luna y la Tierra. En 2001 se publicó la medición más precisa hasta el momento de las firmas isotópicas de las rocas lunares . [4] Sorprendentemente, las muestras lunares de la misión Apolo tenían una firma isotópica idéntica a las rocas de la Tierra, pero diferente de la de otros cuerpos del Sistema Solar. Como se pensaba que la mayor parte del material que entró en órbita para formar la Luna provenía de Theia, esta observación fue inesperada. En 2007, investigadores de Caltech demostraron que la probabilidad de que Theia tuviera una firma isotópica idéntica a la de la Tierra es muy pequeña (menos del 1 por ciento de probabilidad). [13] Publicado en 2012, un análisis de isótopos de titanio en muestras lunares de la misión Apolo mostró que la Luna tiene la misma composición que la Tierra, [14] lo que entra en conflicto con el hecho de que la Luna se formó lejos de la órbita de la Tierra.
Para ayudar a resolver estos problemas, una teoría publicada en 2012 postula que dos cuerpos, cada uno cinco veces el tamaño de Marte, chocaron y luego volvieron a colisionar, formando un gran disco de escombros mixtos que finalmente formaron la Tierra y la Luna. [1]
Tradicionalmente se ha pensado que la Luna se formó a partir de los escombros expulsados por un gran impacto sobre la Tierra primitiva. Sin embargo, estos modelos tienen dificultades para explicar las composiciones isotópicas similares de las rocas terrestres y lunares al mismo tiempo que el momento angular del sistema, y los detalles de los posibles escenarios de impacto son objeto de acalorados debates. Por encima de un umbral de alta resolución para las 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 órbita muy fuera del límite de Roche de la Tierra . Incluso los satélites que pasan inicialmente dentro del límite de Roche pueden sobrevivir de forma fiable y predecible, al ser despojados parcialmente y luego empujados a 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 altamente inclinada para explicar la inclinación lunar, y ofrece un escenario más simple, de una sola etapa, para el origen de la Luna. [15]
En 2004, el astrofísico ruso Nikolai Gorkavyi propuso un nuevo modelo denominado modelo de impactos múltiples de asteroides de gran tamaño, [16] [17] que encontró el apoyo de un destacado grupo de astrónomos rusos en 2013 [18] y, más tarde, en 2017, de investigadores planetarios del Instituto de Ciencias Weizmann en Rehovot, Israel. [19] En términos generales, la idea principal del modelo sugiere que la Luna se formó como resultado de una violenta lluvia de asteroides de gran tamaño (de 1 a 100 km) que golpearon repetidamente a la incipiente Tierra durante millones de años. Una serie de impactos más pequeños, que probablemente eran más comunes en el Sistema Solar primitivo, podrían lanzar suficientes restos rocosos de la Tierra a la órbita para formar un disco protosatélite que luego se transformaría en una pequeña luna. [17] [19] A medida que los impactos repetidos crearan más bolas de escombros, las pequeñas lunas podrían fusionarse con el tiempo en una gran luna. [17] [19]
En 2018, investigadores de Harvard y UC Davis desarrollaron modelos informáticos que demuestran que un posible resultado de una colisión planetaria es que se cree una sinestia , una masa de roca y metal vaporizados que forma un disco bicóncavo que se extiende más allá de la órbita lunar. La sinestia acabará encogiéndose y enfriándose para acrecentar el satélite y reformar el planeta impactado. [20]
Esta hipótesis plantea que la Luna fue capturada por la Tierra. [22] Este modelo fue popular hasta la década de 1980, y algunos puntos a su favor son el tamaño de la Luna, su órbita y el bloqueo de mareas. [22]
Un problema es comprender el mecanismo de captura. [22] Un encuentro cercano de dos cuerpos planetarios normalmente da como resultado una colisión o una alteración de sus trayectorias. Para que esta hipótesis funcione, podría haber existido una gran atmósfera alrededor de la Tierra primitiva, que ralentizaría el movimiento de la Luna mediante el frenado aerodinámico antes de que pudiera escapar. La hipótesis también puede explicar las órbitas irregulares de los satélites de Júpiter y Saturno . [23] Sin embargo, esta hipótesis no explica adecuadamente las proporciones de isótopos de oxígeno esencialmente idénticas de los dos cuerpos. [4]
Esta es la hipótesis ahora desacreditada de que una Tierra antigua que giraba rápidamente expulsó una parte de su masa. [22] [24] Esto fue propuesto por primera vez por George Darwin (hijo del famoso biólogo Charles Darwin ) en 1879 [25] y mantuvo cierta popularidad hasta el Apolo. [22] El geólogo austríaco Otto Ampferer en 1925 también sugirió el surgimiento de la Luna como causa de la deriva continental . [26]
Se ha propuesto que el océano Pacífico representó la cicatriz de este evento. [22] Hoy se sabe que la corteza oceánica que compone esta cuenca oceánica es relativamente joven, de unos 200 millones de años o menos, mientras que la Luna es mucho más antigua. La Luna no está formada por corteza oceánica sino por material del manto, que se originó en el interior de la proto-Tierra en el Precámbrico. [7]
La hipótesis de acreción sugiere que la Tierra y la Luna se formaron juntas como un sistema doble a partir del disco de acreción primordial del Sistema Solar [27] o incluso un agujero negro . [28] El problema con esta hipótesis es que no explica el momento angular del sistema Tierra-Luna o por qué la Luna tiene un núcleo de hierro relativamente pequeño en comparación con la Tierra (25% de su radio en comparación con el 50% de la Tierra). [27]
Una hipótesis alternativa más radical, publicada en 1997 por el científico ruso Vladimir Anisichkin: "La Luna podría haberse formado como resultado de la explosión de la Prototierra" propone que la Luna podría haberse formado a partir de la explosión nuclear de actínidos ubicados en el núcleo interno sólido de la Tierra. Los científicos holandeses Rob de Meijer y Wim van Westrenen sugirieron en 2010 que la Luna podría haberse formado a partir de una explosión nuclear causada por la fuerza centrífuga de una proto-Tierra anterior que giraba. La fuerza centrífuga habría concentrado elementos pesados como el torio y el uranio en el plano ecuatorial y en el límite entre el núcleo externo de la Tierra y el manto . Si las concentraciones de estos elementos radiactivos fueron lo suficientemente altas, esto podría haber llevado a una reacción nuclear en cadena que se volvió supercrítica, causando una explosión nuclear que expulsó a la Luna a la órbita. [29] [30] [31] Este reactor de fisión nuclear natural se ha observado en la Tierra a una escala mucho menor. La hipótesis de la fisión puede explicar adecuadamente las similitudes y diferencias en las composiciones elementales e isotópicas de la Tierra y la Luna.
En 2011, se teorizó que existió una segunda luna hace 4.500 millones de años, y que posteriormente tuvo un impacto con la Luna, como parte del proceso de acreción en la formación de la Luna. [33]
Una hipótesis, presentada sólo como una posibilidad, fue que la Tierra capturó la Luna de Venus. [34]
La datación por uranio-plomo de los fragmentos de circón del Apolo 14 muestra que la edad de la Luna es de aproximadamente 4.510 millones de años. [35] [36]
Un equipo de investigadores del instrumento de radiofrecuencia en miniatura (Mini-RF) de la nave espacial Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) de la NASA concluyó que el subsuelo de la Luna puede ser más rico en metales, como hierro y titanio, de lo que los científicos habían creído. [37]
En julio de 2020, los científicos informaron que la Luna se formó hace 4425 ± 0,025 millones de años, unos 85 millones de años más tarde de lo que se pensaba, y que albergó un océano de magma durante mucho más tiempo de lo que se creía anteriormente (durante unos 200 millones de años). [38] [39] [40]
El 1 de noviembre de 2023, los científicos informaron que, según simulaciones por computadora, los restos de un protoplaneta , llamado Theia , podrían estar dentro de la Tierra, restos de una colisión con la Tierra en la antigüedad, y que luego se convirtió en la Luna . [41] [42]
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