Cuando la Tierra se formó por primera vez, hacía demasiado calor para retener el hielo. Esto significa que toda el agua de nuestro planeta debe haberse originado en fuentes extraterrestres.
Los estudios de rocas terrestres antiguas sugieren que el agua líquida existía en la tierra tan pronto como 100 millones de años después de la formación del sol, prácticamente ‘inmediatamente’ en una escala de tiempo astrofísica.
Esta agua, que ahora tiene más de 4.500 millones de años, se ha renovado perpetuamente a través del ciclo del agua de la Tierra. Mi equipo de investigación ha propuesto recientemente una nueva teoría Para explicar cómo llegó el agua por primera vez a la Tierra.
Un misterio miles de millones de años en desarrollo
Los astrofísicos han estado lidiando con la cuestión de cómo llegó el agua a nuestro joven planeta durante décadas. Una de las hipótesis más tempranas sugirió que el agua de la Tierra era un subproducto directo de la formación del planeta, liberado a través del magma durante las erupciones volcánicas, en la que la mayor parte del gas emitido es vapor de agua.
Sin embargo, esta hipótesis evolucionó en la década de 1990 después del análisis de la composición del agua de la Tierra y el descubrimiento del papel potencial de Cometas heladosseñalando un origen extraterrestre.
Los cometas, que son mezclas de hielo y roca formados en los tramos distantes del sistema solar, a veces se expulsa hacia el sol. Cuando el sol calienta el sol, desarrollan colas de polvo y gas que son visibles desde la Tierra. Asteroides, ubicados en el asteroide cinturón entre Marte y Júpitertambién fueron propuestos como posibles progenitores del agua de la Tierra.
El estudio de las rocas cometarias y asteroides a través de meteoritos, pequeños fragmentos de estos cuerpos que han caído a la Tierra, ha proporcionado ideas clave.
Analizando la relación D/H – La proporción de hidrógeno pesado (deuterio) con hidrógeno estándar – Los científicos encontraron que el agua de la Tierra coincide más con la de los asteroides ‘carbonosos’, que tienen trazas de agua pasada. Esto cambió el enfoque de la investigación hacia estos asteroides.
Estudios recientes se han centrado en la identificación de los mecanismos celestiales que podrían haber administrado estos asteroides ricos en agua a la superficie seca de la tierra temprana. Han surgido numerosas teorías para explicar la ‘perturbación’ de los planetesimales: cuerpos grandes y helados en los cinturones de asteroides y kuiper.
Estos escenarios proponen interacciones gravitacionales que desalojaron estos objetos, enviándolos a la tierra. Tales eventos habrían requerido un complejo proceso de ‘billar gravitacional’, sugiriendo una historia tumultuosa del sistema solar.
Si bien es evidente que la formación planetaria implicó trastornos y impactos significativos, es posible que la entrega de agua de la Tierra haya ocurrido de una manera más natural y menos dramática.
Una hipótesis más simple
Comencé con la suposición de que los asteroides emergen helados de su formación de capullo, también conocido como el disco protoplanetario. Este capullo es un disco masivo rico en hidrógeno lleno de polvo, donde se forman planetas y cinturones iniciales. Envuelve todo el sistema planetario naciente.
Una vez que este capullo protector se disipa, después de unos pocos millones de años, los asteroides se calientan, lo que hace que su hielo se derrita o, más precisamente, sublimen. En el espacio, donde la presión es casi cero, el agua permanece en forma de vapor después de este proceso.
Luego se superpone un disco de vapor de agua en el cinturón de asteroides que orbita el sol. A medida que el hielo sublima, el disco se llena de vapor, que se extiende hacia el sol debido a los complejos procesos dinámicos. En el camino, este disco de vapor se encuentra con los planetas internos, sumergiéndolos en una especie de ‘baño’.
En cierto modo, el disco ‘aguas’ los planetas terrestres: Marte, tierra, Venus y Mercurio. La mayor parte de esta captura de agua ocurrió de 20 a 30 millones de años después de la formación del sol, durante un período en que la luminosidad del sol aumentó drásticamente durante un breve período de tiempo, aumentando la tasa de desgasificación de los asteroides.
Una vez que el agua es capturada por la atracción gravitacional de un planeta, pueden ocurrir muchos procesos.
En la tierra, sin embargo, un mecanismo de protección asegura que la masa total de agua se haya mantenido relativamente constante desde el final del período de captura hasta hoy. Si el agua se eleva demasiado en la atmósfera, se condensa en nubes, que eventualmente regresan a la superficie como lluvia, un proceso conocido como el ciclo del agua.
Las cantidades de agua en la tierra, tanto pasadas como presentes, están bien documentadas. Nuestro modelo, que comienza con la desgasificación de hielo del cinturón de asteroides original, explica con éxito la cantidad de agua necesaria para formar océanos, ríos y lagos, e incluso el agua enterrada en el fondo de la Tierra.
Las mediciones precisas de la relación D/H de agua en los océanos también se alinean con nuestro modelo. Además, el modelo explica las cantidades de agua presentes en el pasado en otros planetas, e incluso en la luna.
Tal vez se pregunte cómo llegué a esta nueva teoría. Se deriva de observaciones recientes, particularmente aquellas hechas con Alma, una matriz de radiotelescopio de más de 60 antenas ubicadas en Chile, en una meseta a cinco kilómetros sobre el nivel del mar.
Las observaciones de sistemas extrasolares con cinturones similares a la correa de Kuiper revelan que los planetesimales en estas correas subliman el monóxido de carbono (CO). Para los cinturones más cercanos a su estrella, como el cinturón de asteroides, CO es demasiado volátil para estar presente y es más probable que el agua se libere.
Construyendo el modelo
Fue a partir de estos hallazgos que la idea inicial de la teoría comenzó a tomar forma. Además, datos recientes de las misiones Hayabusa 2 y Osiris-Rex, que exploraron asteroides similares a los que podrían haber contribuido a la formación del disco de vapor de agua inicial, proporcionó una confirmación clave.
Estas misiones, junto con observaciones de larga data de telescopios terrestres, revelaron cantidades sustanciales de minerales hidratados en estos asteroides-minerales que solo pueden formarse a través del contacto con el agua. Esto respalda la premisa de que estos asteroides estaban inicialmente helados, a pesar de que la mayoría ha perdido su hielo (excepto los cuerpos más grandes como Ceres).
Con la base del modelo en su lugar, el siguiente paso fue desarrollar una simulación numérica para rastrear la desgasificación del hielo, la dispersión del vapor de agua y su eventual captura por parte de los planetas.
Durante estas simulaciones, rápidamente quedó claro que el modelo podría explicar el suministro de agua de la Tierra. Investigaciones adicionales sobre cantidades de agua pasadas para Marte y otros planetas terrestres también confirmaron la aplicabilidad del modelo a ellas. ¡Todo encaja y los resultados estaban listos para su publicación!
Como investigadores, no es suficiente diseñar un modelo que funcione y parece explicar todo. La teoría debe ser probada a mayor escala. Si bien ahora es imposible detectar el disco de vapor de agua inicial que «regó» los planetas terrestres, podemos buscar sistemas extrasolares con cinturones de asteroides jóvenes para ver si existen tales discos de vapor de agua.
Según nuestros cálculos, estos discos, aunque débiles, deben ser detectables con Alma. Nuestro equipo acaba de obtener tiempo en Alma para investigar sistemas específicos para la evidencia de ellos.
Podemos estar en los albores de una nueva era para comprender los orígenes del agua de la Tierra.
Quentin kralAstrophysicien à l’Enswarsatoire de Paris-PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université Paris Cité
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