Las mediciones de un elemento en las rocas de la Tierra y la Luna acaban de refutar las principales hipótesis sobre el origen de la Luna.
Las pequeñas diferencias en la segregación de los isótopos de potasio entre la Luna y la Tierra se ocultaron por debajo de los límites de detección de las técnicas analíticas hasta hace poco. Pero en 2015, la Universidad de Washington en St. Louis geoquímico Kun Wang, entonces la Iniciativa Harvard Origins of LifeEl becario posdoctoral del premio y Stein Jacobsen, profesor de geoquímica en la Universidad de Harvard, desarrollaron una técnica para analizar estos isótopos que pueden alcanzar precisiones 10 veces mejores que el mejor método anterior.
Wang y Jacobsen ahora informan diferencias isotópicas entre rocas lunares y terrestres que proporcionan la primera evidencia experimental que puede discriminar entre los dos modelos principales para el origen de la Luna. En un modelo, un impacto de baja energía deja a la prototo-Tierra y la Luna envueltasen una atmósfera de silicato; en el otro, un impacto mucho más violento vaporiza el impactador y la mayor parte de la proto-Tierra, expandiéndose para formar un enorme disco superfluido del cual la Luna finalmente cristaliza.
El estudio isotópico, que respalda el modelo de alta energía, se publica en la edición avanzada en línea de Naturaleza 12 de septiembre de 2016. "Nuestros resultados proporcionan la primera evidencia sólida de que el impacto realmente en gran medida vaporizó la Tierra", dijo Wang, profesor asistente en Ciencias de la Tierra y Planetarias en Artes y Ciencias.
Una crisis isotópica
A mediados de la década de 1970, dos grupos de astrofísicos propusieron independientemente que la Luna se formara por una colisión de pastoreo entre un cuerpo del tamaño de Marte y la proto-Tierra. La hipótesis del impacto gigante, que explica muchas observaciones, como el gran tamañode la Luna en relación con la Tierra y las tasas de rotación de la Tierra y la Luna, finalmente se convirtió en la hipótesis principal para el origen de la Luna.
Sin embargo, en 2001, un equipo de científicos informó que las composiciones isotópicas de una variedad de elementos en las rocas terrestres y lunares son casi idénticas. Los análisis de muestras traídas de las misiones Apolo en la década de 1970 mostraron que la Luna tiene las mismas abundanciasde los tres isótopos estables de oxígeno como la Tierra.
Esto fue muy extraño. Las simulaciones numéricas del impacto predijeron que la mayoría del material 60-80 por ciento que se unió a la Luna provenía del impactador en lugar de la Tierra. Pero los cuerpos planetarios que se formaron en diferentes partes del sistema solargeneralmente tienen diferentes composiciones isotópicas, tan diferentes que las firmas isotópicas sirven como "huellas digitales" para planetas y meteoritos del mismo cuerpo.
La probabilidad de que el impactador tuviera la misma firma isotópica que la Tierra era muy pequeña.
Entonces, la hipótesis del impacto gigante tenía un problema importante. Podría coincidir con muchas características físicas del sistema Tierra-Luna pero no con su geoquímica. Los estudios de composición isotópica habían creado una "crisis isotópica" para la hipótesis.
Al principio, los científicos pensaron que las mediciones más precisas podrían resolver la crisis. Pero las mediciones más precisas de los isótopos de oxígeno publicados en 2016 solo confirmaron que las composiciones isotópicas no son distinguibles. "Estas son las mediciones más precisas que podemos hacer, y sonsigue siendo idéntico ", dijo Wang.
¿Una bofetada, una bala o un golpe?
"Entonces la gente decidió cambiar la hipótesis del impacto gigante", dijo Wang. "El objetivo era encontrar una forma de hacer que la Luna fuera principalmente de la Tierra en lugar de hacerlo principalmente del impactador. Hay muchos modelos nuevos, todos intentanidear uno, pero dos han sido muy influyentes "
En el modelo original de impacto gigante, el impacto derritió una parte de la Tierra y todo el impactador, arrojando parte del derretimiento hacia afuera, como la arcilla de un torno de alfarero.
Un modelo propuesto en 2007 agrega una atmósfera de vapor de silicato alrededor de la Tierra y el disco lunar el disco de magma que es el residuo del impactador. La idea es que el vapor de silicato permita el intercambio entre la Tierra, el vapor y el material enel disco, antes de que la Luna se condense del disco derretido.
"Están tratando de explicar las similitudes isotópicas mediante la adición de esta atmósfera", dijo Wang, "pero todavía comienzan con un impacto de baja energía como el modelo original".
Pero el intercambio de material a través de una atmósfera es realmente lento, dijo Wang. Nunca tendrías suficiente tiempo para que el material se mezcle bien antes de que comience a caer de nuevo a la Tierra.
Entonces, otro modelo, propuesto en 2015, supone que el impacto fue extremadamente violento, tan violento que el impactador y el manto de la Tierra se vaporizaron y se mezclaron para formar una atmósfera densa de manto de fusión / vapor que se expandió para llenar un espacio más de 500 veces más grande queLa Tierra de hoy. Cuando esta atmósfera se enfrió, la Luna se condensó de ella.
La mezcla completa de esta atmósfera explica la composición idéntica de isótopos de la Tierra y la Luna, dijo Wang. La atmósfera del manto era un "fluido supercrítico", sin fases líquidas y gaseosas distintas. Los fluidos supercríticos pueden fluir a través de sólidos como un gas y disolver materialescomo un líquido
¿Por qué el potasio es decisivo?
El artículo de Nature informa datos isotópicos de potasio de alta precisión para una muestra representativa de rocas lunares y terrestres. El potasio tiene tres isótopos estables, pero solo dos de ellos, potasio 41 y potasio 39, son lo suficientemente abundantes como para medirse con suficienteprecisión para este estudio.
Wang y Jacobsen examinaron siete muestras de rocas lunares de diferentes misiones lunares y compararon sus proporciones de isótopos de potasio con las de ocho rocas terrestres representativas del manto de la Tierra. Descubrieron que las rocas lunares estaban enriquecidas en aproximadamente 0.4 partes por mil en el isótopo más pesado depotasio, potasio-41.
El único proceso de alta temperatura que podría separar los isótopos de potasio de esta manera, dijo Wang, es la condensación incompleta del potasio de la fase de vapor durante la formación de la Luna. En comparación con el isótopo más ligero, el isótopo más pesado se caería preferentemente.el vapor y condensar
Los cálculos muestran, sin embargo, que si este proceso ocurriera en un vacío absoluto, conduciría a un enriquecimiento de isótopos pesados de potasio en muestras lunares de aproximadamente 100 partes por mil, mucho más alto que el valor que encontraron Wang y Jacobsen. Pero una presión más altaSuprimiría el fraccionamiento, dijo Wang. Por esta razón, él y su colega predicen que la Luna se condensó en una presión de más de 10 bares, o aproximadamente 10 veces la presión atmosférica a nivel del mar en la Tierra.
Su hallazgo de que las rocas lunares están enriquecidas en el isótopo de potasio más pesado no favorece el modelo de atmósfera de silicato, que predice que las rocas lunares contendrán menos isótopos más pesados que las rocas terrestres, lo contrario de lo que encontraron los científicos.
En cambio, admite el modelo de atmósfera de manto que predice que las rocas lunares contendrán más isótopos más pesados que las rocas terrestres.
Silenciosos durante miles de millones de años, los isótopos de potasio finalmente han encontrado una voz, y tienen una gran historia que contar.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington en St. Louis . Original escrito por Diana Lutz. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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