El problema de la formación de la Luna y su geoquímica

La teoría estándar para la formación de la Luna es el impacto de un cuerpo de tamaño similar a Marte contra la Tierra primitiva. Pero hay un problema, las simulaciones por ordenador de este impacto o bien explican la dinámica temprana del momento angular del sistema Tierra-Luna, o bien son capaces de explicar la semejanza entre la composición geoquímica de la Tierra y su satélite, pero no ambas cosas. Conocemos la geoquímica lunar gracias al programa espacial Apolo que trajo 382 kilogramos de rocas lunares hasta la Tierra. El año pasado se publicaron dos modelos que proponían el impacto de un objeto de tamaño similar a la Luna, mucho menor que Marte, para tratar de resolver este «pequeño» problema, explicando de forma correcta la composición geoquímica, pero el sistema Tierra-Luna resultante tenía demasiado momento angular y el mecanismo propuesto para reducirlo no satisface a todos los expertos. Hay cosas que creemos que sabemos que sabemos, pero a veces no sabemos que no sabemos. Nos lo cuenta Daniel Clery, «Impact Theory Gets Whacked,» Science 342: 183-185, 11 Oct 2013.

La sombra de la Luna observada por IceCube en el Polo Sur

Mucha gente dirá que observar la Luna a simple vista es mucho mejor que observar su sombra utilizando rayos cósmicos de TeV en IceCube, el gigantesco detector de neutrinos y rayos cósmicos situado en el Polo Sur. IceCube ha observado la sombra de la Luna con más de 6σ entre abril de 2008 y mayo de 2009 utilizando 40 cuerdas de detectores (configuración IC40) y entre mayo de 2009 y mayo de 2010 utilizando 59 cuerdas (configuración IC59), logrando un error menor de 0,2 grados de resolución angular; para que tengas una idea de lo que significa esto, en la figura se ha dibujado la Luna con un círculo blanco. La sombra de la Luna se ha observado gracias a un déficit de 5320 ± 501 rayos cósmicos en IC40 (de un total de 18,8 millones) y de 8700 ± 550 en IC59 (de un total de 22,2 millones), lo que implica una significación de 10,2 σ y 13,9 σ, resp. Este estudio muestra la buena direccionalidad del detector, un factor importante a la hora de interpretar sus resultados sobre neutrinos de muy alta energía. El artículo técnico es IceCube Collaboration, «Observation of the cosmic-ray shadow of the Moon with IceCube,» arXiv:1305.6811, 29 May 2013.

El mapa gravimétrico de la Luna obtenido por GRAIL

La misión GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) de la NASA son dos satélites gemelos que orbitan la Luna estudiando las variaciones de su campo gravitatorio con una precisión sin precedentes. La técnica usada por GRAIL es una copia de la usada por la misión GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), aún en órbita a la Tierra, pero gracias a la ausencia de atmósfera en la Luna se utiliza una órbita a una altitud muy baja, solo 55 km, logrando una resolución de solo 13 km (por cierto, este verano se redujo la altura a solo 22 km para mejorar la resolución, ahora están a unos 11 km y esta navidades acabarán sus días impactando en la superficie). Gracias al mapa del campo gravitatorio se logra explorar el interior de la Luna desde la corteza hasta el manto, revelando interesantes detalles de su historia pasada. La geofísica que dirige la misión, Maria T. Zuber (Massachusetts Institute of Technology, MIT, Cambridge) y su equipo han encontrado una serie de fracturas de unos cientos de kilómetros de largo (ocultas por la superficie y que no son el resultado de impactos); estas fracturas apoyan la hipótesis de que la Luna se formó tras un gran impacto de un planeta contra la Tierra. Nos lo cuenta Richard A. Kerr, «Peering Inside the Moon to Read Its Earliest History,» Science 338: 1272, 7 Dec 2012, haciéndose eco de los artículos técnicos de Maria T. Zuber et al., «Gravity Field of the Moon from the Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) Mission,» Science Express, AOP 5 Dec 2012; Mark A. Wieczorek et al., «The Crust of the Moon as Seen by GRAIL,» Science Express, AOP 5 Dec 2012; y Jeffrey C. Andrews-Hanna et al., «Ancient Igneous Intrusions and Early Expansion of the Moon Revealed by GRAIL Gravity Gradiometry,» Science Express, AOP 5 Dec 2012.

La Luna se formó por el impacto contra la Tierra de un planeta unas 5 veces más grande que Marte

Algunas imágenes extraídas del vídeo que abre esta entrada (C) Southwest Research Institute.

La teoría de formación de la Luna por impacto de un planeta del tamaño de Marte contra la Tierra no explica bien las observaciones. Para obtener un acuerdo excelente hay que suponer que el planeta que impacta tiene una masa entre 4 y 5 veces la de Marte, como muestra el nuevo modelo desarrollado por Robin Canup en el Southwest Research Institute (SwRI) y financiado por el NASA Lunar Science Institute. Este vídeo muestra el resultado de sus simulaciones por ordenador mediante la técnica SPH (Smooth Particle Hydrodynamics) del impacto oblicuo a baja velocidad (v_∞ = 4 km/s) de un planeta con una masa de 0,45 M_⊕ (masas de la Tierra) contra la Tierra primitiva (con masa 1,04 M_⊕),  capaz de producir un disco de materia con suficiente masa (unas 3 M_L) y  momento angular como para formar la Luna (de masa M_L=0,012 M_⊕). La escala de colores indica la temperatura de las 300.000 partículas utilizadas, desde el azul al rojo se pasa de 2500 a 6440 K, el tiempo se mide en horas (se ha simulado un solo día) y las distancias en miles de kilómetros. Tras el impacto inicial, los planetas vuelven a chocar de nuevo, se fusionan y giran rápidamente. Sus núcleos de hierro emigran hacia el centro, mientras que la estructura fusionada desarrolla una especie de barra con brazos en espiral. Los brazos acaban dispersándose para formar un disco que contiene aproximadamente 3 masas lunares cuya composición difiere de la del planeta en menos del 1% (lo que explica la semejanza entre la composición de la Tierra y la Luna). . El artículo técnico es Robin M. Canup, «Forming a Moon with an Earth-Like Composition via a Giant Impact,» Science Express, Published Online October 17 2012 [vídeo en SwRI]. Noticia «New model reconciles the Moon’s Earth-like composition with the giant impact theory of formation,» SwRI News, Oct. 17, 2012.

Este otro vídeo muestra la formación del disco circunterrestre que dio lugar a la Luna a partir del material del manto de la Tierra, pero en el caso del impacto de un objeto pequeño de masa 0,05 M_⊕ (cinco veces la masa de la Luna, como la mitad que la de Marte) y lento, con unos 20 km/s, suponiendo que la Tierra primitiva tiene una masa de 1,05 M_⊕ y un periodo de rotación de 2,3 horas. El círculo gris marca el radio de Roche (2,9 R_⊕). El disco de materia que resulta de la colisión tiene la misma composición que el manto terrestre en la región del impacto. La Luna se forma por acreción de la materia de este disco y se separa de la Tierra debido a las fuerzas de marea. El momento angular total del sistema se conserva, pero parte del momento angular de la Tierra se transfiere a la Luna. Las simulaciones muestran que tras el impacto la Tierra gira entre 2 y 2,5 veces más rápido que en la actualidad; la razón por la que disminuye el momento angular Tierra-Luna es la resonancia por evección entre la Luna y el Sol, como demuestra un nuevo artículo de Cuk y Stewart (Universidad de Harvard), que empieza a actuar cuando la Luna y la Tierra están separados por una distancia mayor de 7 R_E (radios de la Tierra). El artículo técnico es Matija Ćuk, Sarah T. Stewart, «Making the Moon from a Fast-Spinning Earth: A Giant Impact Followed by Resonant Despinning,» Science Express, Published Online October 17 2012.

Cambio del momento angular total del sistema Tierra-Luna debido a la separación de la Luna para diferentes parámetros de las  simulaciones, teniendo en cuenta la resonancia por evección.

El cociente isotópico de zinc en las rocas lunares y el origen de la Luna

Proceso hipotético de formación de la Luna tras el impacto de un cuerpo celeste contra la Tierra.

El rocas lunares de origen magmático que trajeron las misiones Apolo son más ricas en isótopos pesados del zinc (su cociente  cociente ⁶⁶Zn/⁶⁴Zn es mayor) que las rocas similares de la Tierra, Marte y meteoritos primitivos. Este resultado, tan sencillo en apariencia, se acaba de publicar en Nature. El nuevo artículo afirma que esta diferencia está motivada porque la Luna se formó tras un enfriamiento rápido durante el cual una gran cantidad de los volátiles de menor masa se evaporaron en el espacio; en cosmoquímica, se llaman elementos volátiles a los que se condensan a temperaturas menores de 1000 ºC, como el zinc. Este nuevo resultado es una prueba firme de que la Luna se formó hace unos 4500 millones de años tras el impacto de un cuerpo celeste del tamaño de Marte que colisionó con la Tierra joven. Realmente sorprende que una prueba tan sencilla no haya sido publicado hace décadas. Nos lo cuenta Tim Elliott, «Planetary science: Galvanized lunacy,» Nature 490: 346–347, 18 October 2012, que se hace eco del artículo técnico de Randal C. Paniello, James M. D. Day, Frédéric Moynier, «Zinc isotopic evidence for the origin of the Moon,» Nature 490: 376–379, 18 October 2012.

Composición relativa de isótopos de zinc.

Lo sorprendente de este artículo es que la diferencia entre el cociente de concentraciones de isótopos de zinc entre la Luna y los otros cuerpos estudiados es de apenas un 5 ‰, pero indica que la evaporación de volátiles en la Luna fue rápida y a escala planetaria, en lugar de lenta y localizada en ciertas regiones. En la ciencia muchas veces una pequeña pista es una eviencia que da mucha información sobre un suceso muy complicado.

El tamaño aparente de la Luna en el horizonte y en el cénit

Mucha gente cree que la Luna tiene un tamaño aparente mayor en el horizonte que en el cénit, cuando en realidad es al contrario, debido a la refracción de la luz en la atmósfera. Esta ilusión óptica es debida a que en el horizonte comparamos el tamaño de la Luna con el de los edificios, mientras que en el cénit no tenemos ninguna referencia para comparar. Podemos comprobarlo fácilmente midiendo el tamaño aparente de la Luna con una cámara digital y un software de procesamiento de imágenes. La Luna en el horizonte, parte izquierda de esta fotografía, presenta un área 5,73 ± 0,04 % más pequeña que en el cénit, parte derecha (en píxeles, la Luna en la imagen del horizonte tiene 16.572 ± 62 píxeles, mientras que la del cénit tiene 17.579 ± 44 píxeles). Estas fotografías han sido realizadas con una cámara fotográfica Canon Powershot SX220 HS de 12 megapíxeles. Las fotografías originales se pueden descargar en la información suplementaria del artículo de Adam Ellery, Stephen Hughes, «Measuring the apparent size of the Moon with a digital camera,» Physics Education 47: 616-619, Sep. 2012.

Obviamente, la diferencia de área entre la Luna en el horizonte y en el cénit depende del tiempo meteorológico del día en el que se tome la fotografía. ¿Cuál es la diferencia más grande entre ambas áreas? Según los análisis teóricos, la diferencia mayor es de un 17%, aunque en la práctica no suele superar el 10%. Si algún lector se atreve a hacer la prueba por sí mismo, estaría muy bien que nos mostrara el resultado que ha obtenido en los comentarios. Quizás le interese saber que conviene usar trípode, que la Luna se mueve medio grado (alrededor del tamaño aparente de la Luna) cada dos minutos, y que si el diámetro de la Luna son unos 150 píxeles, se mueve 1,25 píxeles por segundo (con una exposición de 1/8 la Luna se mueve unos 1/8 de píxel).

Carl Sagan en 1959 discutió la posible contaminación terrícola de la Luna en un alunizaje

Hace 15 años murió Carl Sagan y este año ha muerto Lynn Margulis (que firmó como Lynn Sagan en algunas ocasiones). ¿Cómo homenajear a Sagan? Muchos ya lo han hecho mucho mejor que yo: Miguel Santander, «A Carl…,» 20 diciembre, 2011, nos recuerda que Carl fue polvo de estrellas y al polvo de estrellas volvió tras dejar una tremenda huella, y recuerda la dedicatoria de su tesis doctoral «A Carl y Arthur. Aún no sé si os odio, os estoy muy agradecido, o estoy en una permanente superposición lineal de ambos estados.» Luis Alfonso Gámez «Escépticos» ha recordado «El aniversario de la muerte de Carl Sagan, en Radio 3,» 2011 diciembre 20, junto a Ángel Carmona; Carl Sagan fue un escéptico militante, quizás «el escéptico militante.» Alex Fernández Muerza nos recuerda «La última entrevista de Carl Sagan» en youtube; y Alberto Fernández en «Carl Sagan: 15 años de su muerte» presenta otros vídeos, como el anuncio de su muerte en TVE. Y muchos otros…

Yo recordaré brevemente a Carl Sagan gracias a su artículo «Biological Contamination of the Moon,» PNAS 46: 396-402, April 15, 1960. Sagan era un visionario y en noviembre de 1959 se preguntó cuánto contaminará la Luna el hombre tras una alunizaje. Puede parecer imposible que en 1959 alguien se planteara la cuestión, pero alguien tenía que hacerlo, porque en 1959 estaba claro que algún el hombre llegaría a la Luna y que había que evitar a toda costa toda posible contaminación, en especial, la contaminación biológica. Para Sagan sería un «desastre científico sin parangón («unparalleled scientific disaster») para el estudio de la historia temprana del sistema solar, el origen de la vida en la Tierra, la posibilidad de vida extraterrestre y la composición química de la materia en nuestro pasado remoto. En su artículo, Sagan discute posibles formas de vida que pudieran sobrevivir en la Luna («cosmobiotas») y cómo les podría afectar la contaminación debida a microorganismos de origen terrestre. Para sorpresa de muchos, Sagan incluye una fórmula matemática en su artículo (que muestra en la imagen de arriba) para estimar la probabilidad de que organismos vivos en la Luna puedan soportar la radiación solar incidente. Un kilogramo de instrumentos terrestres colocado en la Luna puede contener un mínimo de cien mil millones de microorganismos y un módulo lunar de una tonelada más de un trillón. Afortunadamente para todos, la fórmula matemática de Sagan demostraba que la radiación solar destruiría en pocas horas todos los microorganismos contaminantes dejando solo unos 0,01 microorganismos por metro cuadrado. Según Sagan, una contaminación tolerable en comparación con los beneficios que ofrecería un viaje a la Luna. Diez años más tarde, el hombre pisó la Luna.

¿Qué interés exobiológico puede ofrecer un alunizaje? Carl Sagan lo discutió en su artículo «Indigenous Organic Matter on the Moon,» PNAS 46: 393-396, April 15, 1960. Según los estudios sobre la posible historia temprana del sistema solar, la Luna, tras su formación, contenía restos de una atmósfera de origen terrestre compuesta por CH4, NH3, y H20, con pequeñas cantidades de H2 y otros productos de estas moléculas. El efecto de la radiación solar podría producir moléculas orgánicas de cierta complejidad, incluyendo aminoácidos y ciertos ácidos orgánicos, hidrocarburos y sus polímeros. Carl Sagan estima en su artículo la cantidad de materia orgánica que pudo formarse en la atmósfera primitiva de la Luna y que pudo sobrevivir hasta nuestros días. Según él, el subsuelo lunar podría contener estas substancias y la mejor manera de analizarlo es traer muestras a la Tierra.

Sin lugar a dudas, Sagan fue, además de todo un escéptico, todo un visionario.

El documental que no te puedes perder si te gusta este blog: Escépticos, ¿Fuimos a la luna?

«Escépticos: ¿Fuimos a la Luna?» Producido por ETB 2 y K 2000. Creado, escrito y dirigido por Jose A. Pérez. Presentado por Luis Alfonso Gámez.

PS (3 enero 2011): Supongo que todos conoceréis este otro programa: «Cazadores de Mitos – El mito del alunizaje,» youtube.

¿Cuánta agua hay en la Luna?

Nadie lo sabe. El impacto de la sonda LCROSS ha levantado una nube de polvo en la que se ha detectado agua. Ha saltado la noticia en toda la prensa, pero la cuestión del título, ¿cuánta agua hay?, no es fácil de contestar. Richard A. Kerr nos cuenta hoy en Science que realmente no se sabe. Algunos investigadores creen que hay más agua que en el desierto del Sahara, pero no saben realmente cuanta más. Quizás un 1% en volumen en los primeros 3 metros de profundidad. Valores entre el 0.1% y el 10% también son compatibles con lo observado en el impacto. Sólo análisis futuros teniendo en cuenta la orografía detallada de la región del impacto permitirán reducir la incertidumbre en este valor. ¿Suficiente agua para sustentar a una base permanente en la Luna? Realmente la respuesta no importa. Mantener una base permanente a 40 grados sobre el cero absoluto requiere resolver problemas más importantes que el del agua. Nos lo cuenta Richard A. Kerr, «Yes, There’s Ice on the Moon—But How Much, and What Use Is It?,»Science 326: 1046, 20 November 2009.

¿Qué diferencia hay entre estas dos fotos? ¡Qué bonito es viajar!

Más fotos nocturnas de Ilia Shalamaev.