¿Cómo se formó la Luna?: Un nuevo estudio afirma que el secreto se oculta bajo la Tierra

El modo en que la Luna emergió como satélite de nuestro planeta es una materia que continúa en estudio por parte de los astrónomos, a pesar de las muchas certezas que ya se tienen.

Dos enormes masas situadas a 2.900 kilómetros de profundidad, justo debajo de África occidental y el océano Pacífico, son lo que los geólogos llaman grandes provincias de baja velocidad. Un equipo de investigación internacional interdisciplinario ha descubierto recientemente que esa anomalía masiva en el interior de la Tierra puede ser un remanente de la colisión de hace unos 4.500 millones de años que formó la Luna.

Esta investigación ofrece nuevos conocimientos no sólo sobre la estructura interna del planeta sino también sobre su evolución a largo plazo y la formación del sistema solar interior.

El estudio se basó en métodos computacionales de dinámica de fluidos que iniciamos en el Observatorio Astronómico de Shanghai (SHAO) de la Academia de Ciencias de China y fue publicado en Nature.

La formación de la Luna ha sido un enigma persistente para varias generaciones de científicos. La teoría predominante ha sugerido que, durante las últimas etapas del crecimiento de la Tierra, hace aproximadamente 4.500 millones de años, se produjo una colisión masiva, conocida como impacto gigante, entre la Tierra primordial (Gaia) y un protoplaneta del tamaño de Marte conocido como Theia. Se cree que el satélite se formó a partir de los escombros generados por este choque.

Las simulaciones numéricas han indicado que la luna probablemente heredó material principalmente de Theia, mientras que Gaia, debido a su masa mucho mayor, solo estuvo ligeramente contaminada por material de aquél.

Dado que Gaia y Theia eran formaciones relativamente independientes y estaban compuestas de materiales distintos, la teoría sugería que la Luna (dominada por material de Theia) y la Tierra (dominada por material de Gaia) deberían tener composiciones diferentes. Sin embargo, mediciones isotópicas de alta precisión revelaron más tarde que las composiciones de la Tierra y la Luna son notablemente similares, desafiando así la teoría convencional de la formación de la Luna.

Si bien posteriormente se propusieron varios modelos refinados del impacto gigante, todos ellos enfrentaron desafíos. Para perfeccionar aún más la teoría de la formación lunar comenzamos a realizar investigaciones sobre la formación de la luna en 2017. Se centró en desarrollar un nuevo método de dinámica de fluidos computacional llamado Masa Finita sin Malla (MFM), que sobresale en modelar con precisión la turbulencia y la mezcla de materiales.

Utilizando este novedoso enfoque y realizando numerosas simulaciones del impacto gigante, descubrimos que la Tierra primitiva exhibía estratificación del manto después del impacto, con el superior e inferior con composiciones y estados diversos. Específicamente, el primero presentaba un océano de magma, creado mediante una mezcla minuciosa de material de Gaia y Theia, mientras que el segundo permaneció en gran medida sólido y retuvo la composición material de Gaia.

Las investigaciones anteriores habían puesto demasiado énfasis en la estructura del disco de escombros —el precursor de la Luna— y habían pasado por alto el impacto de la colisión gigante en la Tierra primitiva. Después de conversaciones con geofísicos del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich, con mi equipo de colaboradores nos dimos cuenta de que esta estratificación del manto puede haber persistido hasta el día de hoy, correspondiente a los reflectores sísmicos globales en el manto medio, ubicados, al menos, a unos 1.000 km debajo del Superficie de la Tierra.

Específicamente, todo el manto inferior de la Tierra aún puede estar dominado por material gaiano anterior al impacto, que tiene una composición elemental diferente, incluido un mayor contenido de silicio, que el superior, según un estudio anterior también del Observatorio Astronómico de Shanghai (SHAO) de la Academia de Ciencias de China

Nuestros hallazgos desafían la noción tradicional de que el impacto gigante condujo a la homogeneización de la Tierra primitiva. En cambio, el impacto gigante que formó la luna parece ser el origen de la heterogeneidad del manto temprano y marca el punto de partida de la evolución geológica de la Tierra a lo largo de 4.500 millones de años.

Otro ejemplo de esto son dos regiones anómalas, llamadas Grandes Provincias de Baja Velocidad (LLVP), que se extienden a lo largo de miles de kilómetros en la base del manto. Uno se encuentra debajo de la placa tectónica africana y el otro bajo de la placa tectónica del Pacífico. Cuando las ondas sísmicas pasan a través de estas áreas, la velocidad de la onda se reduce significativamente.

Los LLVP tienen implicaciones importantes para la evolución del manto, la separación y agregación de supercontinentes y las estructuras de las placas tectónicas de la Tierra. Sin embargo, sus orígenes siguen siendo un misterio.

Hemos propuesto que los LLVP podrían haber evolucionado a partir de una pequeña cantidad de material theiano que entró en el manto inferior de Gaia. Mediante un análisis en profundidad de simulaciones anteriores de impactos gigantes y realizando nuevas de mayor precisión, el equipo de investigación descubrió que una cantidad significativa de material del manto de Theian, aproximadamente el 2% de la masa de la Tierra, entró en el manto inferior de Gaia.

Luego desde el SHAO invitamos al astrofísico computacional Jacob Kegerreis, perteneciente al Centro de Investigación Ames de la NASA y también autor del documento, a confirmar esta conclusión utilizando métodos tradicionales de hidrodinámica de partículas suavizadas (SPH).

El equipo de investigación también calculó que este material del manto de Theian, similar a las rocas lunares, está enriquecido con hierro, lo que lo hace más denso que el material de Gaia que lo rodea. Como resultado, se hundió rápidamente hasta el fondo del manto y, en el transcurso de una convección prolongada, formó dos regiones LLVP prominentes que se han mantenido estables a lo largo de 4.500 millones de años de evolución geológica.

La heterogeneidad en el manto profundo sugiere que el interior de la Tierra está lejos de ser un sistema uniforme. De hecho, pequeñas cantidades de heterogeneidad profundamente arraigada pueden ser sacadas a la superficie mediante plumas del manto (corrientes térmicas ascendentes cilíndricas causadas por su fenómeno de convección), como las que probablemente formaron Hawaii e Islandia.

A través del análisis preciso de una gama más amplia de muestras de rocas, combinados con modelos de impacto gigante más refinados y modelos de evolución de la Tierra, podemos inferir la composición material y la dinámica orbital de la Tierra primordial, Gaia y Theia. Esto nos permite limitar toda la historia de la formación del sistema solar interior. Esta investigación incluso proporciona inspiración para comprender la formación y habitabilidad de exoplanetas más allá de nuestro sistema solar.