El Bombardeo Intenso Tardío ( LHB ), o cataclismo lunar , es un evento astronómico hipotético que se cree que ocurrió hace aproximadamente entre 4,1 y 3,8 mil millones de años (Ga), [1] en un momento correspondiente a las eras Neohadeana y Eoarqueana en la Tierra. Según la hipótesis, durante este intervalo una cantidad desproporcionadamente grande de asteroides y cometas colisionaron contra los planetas terrestres y sus satélites naturales del Sistema Solar interior , incluidos Mercurio , Venus , la Tierra (y la Luna ) y Marte . [2] Estos provinieron de poblaciones de impactadores impulsadas tanto por la acreción como por la inestabilidad planetaria . [3] Aunque solía ser ampliamente aceptada, [4] seguía siendo difícil proporcionar una cantidad abrumadora de evidencia para la hipótesis. [5] Sin embargo, una reevaluación reciente de las limitaciones cosmoquímicas indica que probablemente no hubo un pico tardío ("cataclismo terminal") en la tasa de bombardeo. [6]
La evidencia del LHB se deriva de muestras de rocas lunares de cráteres lunares traídas por los astronautas del programa Apolo . La datación isotópica mostró que las rocas se fundieron por última vez durante los impactos en un intervalo de tiempo bastante estrecho, lo que sugiere que una gran proporción de cráteres se formaron durante este período. Varias hipótesis intentan explicar este aparente aumento en el flujo de impactadores en el Sistema Solar interior, pero aún no existe ningún consenso. El modelo de Niza , popular entre los científicos planetarios , postula que los planetas gigantes experimentaron una migración orbital , dispersando objetos del cinturón de asteroides , del cinturón de Kuiper , o de ambos, en órbitas excéntricas y en la trayectoria de los planetas terrestres. [3]
Otros investigadores dudan del intenso bombardeo, argumentando que la aparente agrupación de edades de impacto y derretimiento lunar es un artefacto estadístico producido al tomar muestras de rocas esparcidas por un único gran impacto. [1] También señalan que la tasa de formación de cráteres de impacto podría diferir significativamente entre las zonas exterior e interior del Sistema Solar. [7]
La principal evidencia de un cataclismo lunar proviene de las edades radiométricas de las rocas fundidas por impacto que se recolectaron durante las misiones Apolo. Se cree que la mayoría de estos impactos se formaron durante la colisión de asteroides o cometas de decenas de kilómetros de diámetro, formando cráteres de impacto de cientos de kilómetros de diámetro. Los lugares de aterrizaje de los Apolo 15 , 16 y 17 fueron elegidos debido a su proximidad a las cuencas Imbrium , Nectaris y Serenitatis , respectivamente. [8]
La aparente agrupación de edades de estos derretimientos de impacto, entre aproximadamente 3,8 y 4,1 Ga, llevó a los investigadores a postular que esas edades registran un intenso bombardeo de la Luna . [9] Lo llamaron el "cataclismo lunar" y propusieron que representaba un aumento dramático en la tasa de bombardeo de la Luna alrededor de 3,9 Ga. Si estos impactos derretidos se derivaron de estas tres cuencas, entonces no solo estos tres impactos prominentes Las cuencas se forman en un corto intervalo de tiempo, pero también lo hicieron muchas otras basadas en bases estratigráficas . [8] En ese momento, la hipótesis se consideró controvertida.
A medida que se dispuso de más datos, particularmente de meteoritos lunares , esta hipótesis, aunque sigue siendo controvertida, se ha vuelto más popular. Se cree que los meteoritos lunares toman muestras aleatorias de la superficie lunar, y al menos algunos de ellos deberían haberse originado en regiones alejadas de los lugares de aterrizaje del Apolo. Muchos de los meteoritos lunares feldespáticos probablemente se originaron en la cara oculta de la Luna, y recientemente se han datado los derretimientos de impacto dentro de estos. De acuerdo con la hipótesis del cataclismo, no se encontró que ninguna de sus edades fuera mayor que aproximadamente 3,9 Ga. [10] [11] Sin embargo, las edades no se "agrupan" en esta fecha, sino que abarcan entre 2,5 y 3,9 Ga. [12]
La datación de meteoritos de howardita , eucrita y diogenita ( HED ) y de condritas H originados en el cinturón de asteroides revela numerosas edades entre 3,4 y 4,1 Ga y un pico anterior en 4,5 Ga. Se ha interpretado que las edades de 3,4 a 4,1 Ga representan un aumento en velocidades de impacto como simulaciones por computadora utilizando hidrocódigo [13] revelan que el volumen de fusión del impacto aumenta entre 100 y 1000 veces a medida que la velocidad del impacto aumenta desde el promedio actual del cinturón de asteroides de 5 km/s a 10 km/s. Las velocidades de impacto superiores a 10 km/s requieren inclinaciones muy altas o las grandes excentricidades de los asteroides en las órbitas que cruzan los planetas. Estos objetos son raros en el cinturón de asteroides actual, pero su población aumentaría significativamente debido al barrido de resonancias debido a la migración de planetas gigantes. [14]
Los estudios de la distribución del tamaño de los cráteres de las tierras altas sugieren que la misma familia de proyectiles impactó en Mercurio y la Luna durante el último bombardeo intenso. [15] Si la historia de la decadencia de los últimos bombardeos intensos sobre Mercurio también siguió a la historia de los últimos bombardeos intensos sobre la Luna, la gran cuenca más joven descubierta, Caloris , es comparable en edad a las grandes cuencas lunares más jóvenes, Orientale e Imbrium, y Todas las unidades de las llanuras tienen más de 3 mil millones de años. [dieciséis]
Si bien la hipótesis del cataclismo se ha vuelto más popular recientemente (en los últimos cincuenta años), particularmente entre los dinámicos que han identificado posibles causas de tal fenómeno, todavía es controvertida y se basa en suposiciones discutibles. Dos críticas son que (1) el "grupo" de edades de impacto podría ser un artefacto del muestreo de eyecciones de una sola cuenca, y (2) que la falta de rocas fundidas de impacto de más de 4,1 Ga está relacionada con que todas esas muestras hayan sido pulverizadas. , o se restablecen sus edades. [3] [8]
La primera crítica se refiere al origen del impacto de las rocas fundidas que fueron muestreadas en los lugares de alunizaje del Apolo. Si bien se ha atribuido comúnmente que estos derretimientos por impacto se derivaron de la cuenca más cercana, se ha argumentado que una gran parte de ellos podrían derivarse de la cuenca Imbrium. [17] La cuenca de impacto de Imbrium es la más joven y la más grande de las cuencas de múltiples anillos que se encuentran en la cara central cercana de la Luna, y el modelado cuantitativo muestra que cantidades significativas de material eyectado de este evento deberían estar presentes en todos los sitios de aterrizaje del Apolo. Según esta hipótesis alternativa, el grupo de edades fundidas por impacto cercanas a 3,9 Ga simplemente refleja el material que se recolecta de un solo evento de impacto, y no de varios. Críticas adicionales también argumentan que el pico de edad en 3,9 Ga identificado en la datación 40 Ar/ 39 Ar también podría ser producido por una formación temprana episódica de corteza seguida de pérdidas parciales de 40 Ar a medida que la tasa de impacto disminuyó. [18]
Una segunda crítica se refiere a la importancia de la falta de rocas fundidas de impacto de más de 4,1 Ga. Una hipótesis para esta observación que no implica un cataclismo es que las rocas fundidas antiguas sí existieron, pero que todas sus edades radiométricas han sido restablecidas por el continuo efectos de la formación de cráteres de impacto en los últimos 4 mil millones de años. Además, es posible que todas estas supuestas muestras hayan sido pulverizadas a tamaños tan pequeños que sea imposible obtener determinaciones de edad utilizando métodos radiométricos estándar. [19] Los científicos continúan estudiando la historia del bombardeo de la luna en un intento de aclarar la historia del sistema solar interior. [8] [3]
Si realmente hubiera ocurrido un evento catastrófico de cráteres en la Luna, la Tierra también se habría visto afectada. La extrapolación de las tasas de formación de cráteres lunares [20] a la Tierra en este momento sugiere que se habría formado el siguiente número de cráteres: [21]
Antes de la formulación de la hipótesis LHB, los geólogos generalmente suponían que la Tierra permaneció fundida hasta aproximadamente 3,8 Ga. Esta fecha se podía encontrar en muchas de las rocas más antiguas conocidas de todo el mundo y parecía representar un fuerte "punto límite" más allá del cual No se pudieron encontrar rocas más antiguas. Estas fechas se mantuvieron bastante constantes incluso a través de varios métodos de datación, incluido el sistema considerado más preciso y menos afectado por el medio ambiente, la datación de circones con uranio y plomo . Como no se pudieron encontrar rocas más antiguas, generalmente se asumió que la Tierra había permanecido fundida hasta esta fecha, que definió el límite entre los eones anteriores del Hadeano y los posteriores del Arcaico . No obstante, en 1999, la roca más antigua conocida en la Tierra tenía una antigüedad de 4.031 ± 0.003 mil millones de años y es parte del Acasta Gneis del Slave Craton en el noroeste de Canadá. [22]
Sin embargo, se pueden encontrar rocas más antiguas en forma de fragmentos de asteroides que caen a la Tierra en forma de meteoritos . Al igual que las rocas de la Tierra, los asteroides también muestran un fuerte punto de corte, alrededor de 4,6 Ga, que se supone que es el momento en que se formaron los primeros sólidos en el disco protoplanetario alrededor del entonces joven Sol. El Hadeano, entonces, fue el período de tiempo entre la formación de estas primeras rocas en el espacio y la eventual solidificación de la corteza terrestre, unos 700 millones de años después. Este tiempo incluiría la acreción de los planetas del disco y el lento enfriamiento de la Tierra hasta convertirla en un cuerpo sólido a medida que se libera la energía potencial gravitacional de la acreción.
Cálculos posteriores demostraron que la velocidad de colapso y enfriamiento depende del tamaño del cuerpo rocoso. Escalar esta velocidad a un objeto de masa terrestre sugirió un enfriamiento muy rápido, que requirió sólo 100 millones de años. [23] La diferencia entre medición y teoría presentaba un enigma en ese momento.
El LHB ofrece una posible explicación para esta anomalía. Según este modelo, las rocas que datan de 3,8 Ga se solidificaron sólo después de que el LHB destruyera gran parte de la corteza. En conjunto, el Acasta Gneis en el escudo cratónico de América del Norte y los gneises dentro de la porción de Jack Hills del Narryer Gneiss Terrane en Australia Occidental son los fragmentos continentales más antiguos de la Tierra, pero parecen ser posteriores al LHB. El mineral más antiguo datado hasta ahora en la Tierra, un circón de 4,404 Ga de Jack Hills, es anterior a este evento, pero es probable que sea un fragmento de corteza que quedó antes del LHB, contenido dentro de una roca mucho más joven (~3,8 Ga de antigüedad). [ cita necesaria ]
El circón Jack Hills condujo a una evolución en la comprensión del eón Hadeano. [24] Las referencias más antiguas generalmente muestran que la Tierra Hadeana tenía una superficie fundida con volcanes prominentes . El propio nombre "Hadeano" hace referencia a las condiciones "infernales" asumidas en la Tierra para la época, del griego Hades . La datación con circón sugirió, aunque de manera controvertida, que la superficie del Hadeano era sólida, templada y estaba cubierta por océanos ácidos. Esta imagen se deriva de la presencia de proporciones isotópicas particulares que sugieren la acción de la química basada en el agua en algún momento antes de la formación de las rocas más antiguas (ver Tierra temprana y fría ). [25]
De particular interés, Manfred Schidlowski argumentó en 1979 que las proporciones isotópicas de carbono de algunas rocas sedimentarias encontradas en Groenlandia eran una reliquia de materia orgánica. Hubo mucho debate sobre la datación precisa de las rocas: Schidlowski sugirió que tenían aproximadamente 3,8 Ga de antigüedad y otros sugirieron una edad más "modesta" de 3,6 Ga. En cualquier caso, fue un tiempo muy corto para que se produjera la abiogénesis, y Si Schidlowski tenía razón, podría decirse que fue un tiempo demasiado corto. El Bombardeo Intenso Tardío y la "refusión" de la corteza que sugiere proporciona una línea de tiempo bajo la cual esto sería posible: la vida se formó inmediatamente después del Bombardeo Intenso Tardío, o más probablemente sobrevivió, habiendo surgido antes durante el Hadeano . Un estudio de 2002 sugiere que las rocas que encontró Schidlowski pertenecen al extremo más antiguo del rango de edad posible, aproximadamente 3,85 Ga, lo que sugiere que la última posibilidad es la respuesta más probable. [26] Los estudios de 2005, 2006 y 2009 no han encontrado evidencia de las proporciones de carbono isotópicamente ligero que fueron la base de las afirmaciones originales. [27] [28] [29]
Un estudio similar de las rocas de Jack Hills de 2008 muestra rastros del mismo tipo de indicadores orgánicos potenciales. Thorsten Geisler, del Instituto de Mineralogía de la Universidad de Münster , estudió rastros de carbono atrapados en pequeños trozos de diamante y grafito dentro de circones que datan de 4,25 Ga. La proporción de carbono-12 a carbono-13 era inusualmente alta, normalmente un signo de " procesamiento" por la vida. [30]
Los modelos informáticos tridimensionales desarrollados en mayo de 2009 por un equipo de la Universidad de Colorado en Boulder postulan que gran parte de la corteza terrestre y los microbios que viven en ella podrían haber sobrevivido al bombardeo. Sus modelos sugieren que, aunque la superficie de la Tierra habría sido esterilizada, los respiraderos hidrotermales debajo de la superficie de la Tierra podrían haber incubado vida al proporcionar un santuario para los microbios termófilos . [31] En abril de 2014, los científicos informaron haber encontrado evidencia del mayor impacto de meteorito terrestre hasta la fecha cerca del cinturón de piedras verdes de Barberton . Estimaron que el impacto ocurrió hace unos 3.260 millones de años y que el impactador tenía aproximadamente entre 37 y 58 kilómetros (23 a 36 millas) de ancho. El cráter de este evento, si aún existe, aún no ha sido encontrado. [32]
En el modelo de Niza, el bombardeo intenso tardío es el resultado de una inestabilidad dinámica en el Sistema Solar exterior. Las simulaciones originales del modelo de Niza realizadas por Gomes et al. comenzó con los planetas gigantes del Sistema Solar en una configuración orbital estrecha rodeada por un rico cinturón transneptuniano . Los objetos de este cinturón se desvían hacia órbitas que cruzan planetas, lo que provoca que las órbitas de los planetas migren durante varios cientos de millones de años. Las órbitas de Júpiter y Saturno se separan lentamente hasta cruzar una resonancia orbital de 2:1 , lo que hace que aumenten las excentricidades de sus órbitas. Las órbitas de los planetas se vuelven inestables y Urano y Neptuno se dispersan en órbitas más amplias que alteran el cinturón exterior, provocando un bombardeo de cometas cuando entran en órbitas que cruzan los planetas. Las interacciones entre los objetos y los planetas también provocan una migración más rápida de las órbitas de Júpiter y Saturno. Esta migración provoca que las resonancias recorra el cinturón de asteroides, aumentando las excentricidades de muchos asteroides hasta que ingresan al Sistema Solar interior e impactan los planetas terrestres. [1] [34]
El modelo de Niza ha sufrido algunas modificaciones desde su publicación inicial. Los planetas gigantes ahora comienzan en una configuración multirresonante debido a una migración temprana impulsada por gas a través del disco protoplanetario. [35] Las interacciones con el cinturón transneptuniano les permiten escapar de las resonancias después de varios cientos de millones de años. [36] Los encuentros entre planetas que siguen incluyen uno entre un gigante de hielo y Saturno que impulsa al gigante de hielo a una órbita que cruza Júpiter, seguido de un encuentro con Júpiter que impulsa al gigante de hielo hacia afuera. Este escenario de Júpiter saltando aumenta rápidamente la separación de Júpiter y Saturno, limitando los efectos del barrido de resonancia en los asteroides y los planetas terrestres. [37] [38] Si bien esto es necesario para preservar las bajas excentricidades de los planetas terrestres y evitar dejar el cinturón de asteroides con demasiados asteroides de alta excentricidad, también reduce la fracción de asteroides eliminados del cinturón de asteroides principal, dejando un ahora -Banda interior de asteroides casi agotada como fuente principal de los impactadores del LHB. [39] El gigante de hielo a menudo es expulsado después de su encuentro con Júpiter, lo que lleva a algunos a proponer que el Sistema Solar comenzó con cinco planetas gigantes . [40] Reciente [ ¿cuándo? ] , sin embargo, han descubierto que los impactos de este cinturón de asteroides interior serían insuficientes para explicar la formación de antiguos lechos de esférulas de impacto y de las cuencas lunares, [41] y que el cinturón de asteroides probablemente no fue el origen del intenso bombardeo tardío. [42]
Según una simulación planetesimal de la formación del sistema planetario, los planetas exteriores Urano y Neptuno se formaron muy lentamente, a lo largo de un período de varios miles de millones de años. [43] Harold Levison y su equipo también han sugerido que la densidad relativamente baja de material en el Sistema Solar exterior durante la formación de planetas habría ralentizado enormemente su acreción. [44] Por lo tanto, se ha sugerido la formación tardía de estos planetas como una razón diferente para el LHB. Sin embargo, reciente [ ¿cuándo? ] Los cálculos de flujos de gas combinados con un crecimiento desbocado planetesimal en el Sistema Solar exterior implican que los planetas jovianos se formaron extremadamente rápidamente, del orden de 10 Ma, lo que no respalda esta explicación para el LHB.
La hipótesis del Planeta V postula que un quinto planeta terrestre causó el Bombardeo Intenso Tardío cuando su órbita metaestable entró en el cinturón de asteroides interior. El hipotético quinto planeta terrestre, el Planeta V, tenía una masa inferior a la mitad de la de Marte y originalmente orbitaba entre Marte y el cinturón de asteroides. La órbita del Planeta V se volvió inestable debido a las perturbaciones de los otros planetas interiores que hicieron que se cruzara con el cinturón de asteroides interior. Después de encuentros cercanos con el Planeta V, muchos asteroides entraron en órbitas que cruzaban la Tierra, provocando el Bombardeo Intenso Tardío. El Planeta V finalmente se perdió y probablemente se hundió en el Sol. En simulaciones numéricas, se ha demostrado que es necesaria una distribución desigual de los asteroides, con los asteroides muy concentrados hacia el cinturón de asteroides interior, para producir el LHB a través de este mecanismo. [45] Se ha propuesto una versión alternativa de esta hipótesis en la que los impactadores lunares son desechos resultantes del impacto del Planeta V en Marte, formando la Cuenca Boreal , para explicar un número bajo de cuencas lunares gigantes en relación con los cráteres y la falta de evidencia de presencia de cometas. impactadores. [46] [47]
Una hipótesis propuesta por Matija Ćuk postula que los últimos impactos que formaron cuencas fueron el resultado de la colisión de un gran asteroide que cruzó Marte. Este asteroide del tamaño de Vesta era un remanente de una población que inicialmente era mucho mayor que el actual cinturón de asteroides principal. La mayoría de los impactos anteriores a Imbrium se habrían debido a estos objetos que cruzaron Marte, y el bombardeo inicial se extendió hasta hace 4.100 millones de años. Luego siguió un período sin muchos impactos que formaran cuencas, durante el cual el campo magnético lunar decayó. Luego, hace aproximadamente 3.900 millones de años, un impacto catastrófico desbarató el asteroide del tamaño de Vesta, aumentando significativamente la población de objetos que cruzaban Marte. Muchos de estos objetos luego evolucionaron hacia órbitas que cruzan la Tierra, produciendo un pico en la tasa de impacto lunar durante el cual se forman las últimas cuencas de impacto lunar. Ćuk señala el magnetismo residual débil o ausente de las últimas cuencas y un cambio en la distribución de tamaño y frecuencia de los cráteres que se formaron durante este último bombardeo como evidencia que respalda esta hipótesis. [48] El momento [49] [50] [51] [52] y la causa [53] del cambio en la distribución de tamaño y frecuencia de los cráteres son controvertidos.
Se han investigado otras posibles fuentes del bombardeo intenso tardío. Entre ellos se encuentran satélites terrestres adicionales que orbitan de forma independiente o como troyanos lunares, planetesimales sobrantes de las formaciones de los planetas terrestres, coorbitales de la Tierra o Venus y la desintegración de un gran asteroide del cinturón principal. Se demostró que otros satélites terrestres en órbitas independientes eran rápidamente capturados en resonancias durante la expansión orbital temprana de la Luna impulsada por las mareas y se perdían o destruyeban en unos pocos millones de años. [54] Se descubrió que los troyanos lunares se desestabilizaron en 100 millones de años por una resonancia solar cuando la Luna alcanzó los 27 radios terrestres. [55] Se demostró que los planetesimales sobrantes de la formación de los planetas terrestres se agotan demasiado rápido debido a colisiones y eyecciones para formar las últimas cuencas lunares. [56] La estabilidad a largo plazo de los coorbitales primordiales de la Tierra o Venus (troyanos u objetos con órbitas de herradura) junto con la falta de observaciones actuales indican que era poco probable que hubieran sido lo suficientemente comunes como para contribuir al LHB. [57] Se descubrió que producir el LHB a partir de la perturbación por colisión de un asteroide del cinturón principal requería como mínimo un cuerpo padre de 1.000 a 1.500 km con las condiciones iniciales más favorables. [58] Los escombros producidos por colisiones entre planetas interiores, ahora perdidos, también se han propuesto como fuente del LHB. [59]
Se han encontrado pruebas de condiciones similares a las de un bombardeo intenso tardío alrededor de la estrella Eta Corvi . [60]
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