¿Por qué el polvo de asteroides es tan negro?

El interior del contenedor de retorno de muestra traído desde ~ 300 millones de km de distancia como parte de la Misión Hayabusa-2. En el interior, los granos negros que parecen similares a los granos de café son en realidad granos diminutos extraídos del asteroide Ryugu. La misión de devolución de muestras fue un éxito, y ahora esperamos el análisis científico. 
Crédito: JAXA.

En muchos sentidos, la Astronomía es única entre las ciencias. En todos los demás campos, tienes la capacidad de diseñar una prueba experimental que puedes realizar. Eso te permite determinar cuáles de tus teorías, hipótesis e ideas son correctas después de realizar las mediciones críticas. Desde las Ciencias Sociales hasta la Medicina, la Biología, la Química y la Física, realizar estos experimentos en un entorno controlado es un paso clave. En Astronomía, sin embargo, no podemos elegir qué experimentos se realizan. Nuestro laboratorio es el Universo. Entonces lo único que podemos hacer es observar los fenómenos que nos brinda la naturaleza y los límites de nuestros instrumentos.

Al menos, ese era el caso de la Astronomía hasta hace poco, cuando una notable excepción pasó a primer plano. Desde los albores de la era espacial, obtuvimos la capacidad de escapar de las ataduras de la gravedad de nuestro planeta. Como resultado, nos hemos vuelto capaces de explorar el Sistema Solar, muestreando lunas, planetas e incluso asteroides y cometas directamente. En algunos casos incluso devolviendo esas muestras a la Tierra. Aunque fragmentos de asteroides y cometas han caído a la Tierra , no hay nada como tomar una muestra prístina y traerla a casa. Para sorpresa de muchos, la reciente muestra de asteroide devuelta por la sonda japonesa Hayabusa-2 es casi negra como boca de lobo. Esta es la razón.

Vemos los objetos en el cielo mayormente de color blanco, pero ese no es su color real

Esta fotografía animada de lapso de tiempo muestra el asteroide 3200 Phaethon, rastreado desde Riga, Letonia, en 2017. Este es el cuerpo padre de la lluvia de meteoros Gemínidas. Es un asteroide de solo 5,8 km de diámetro, aproximadamente el tamaño del asteroide que golpeó catastróficamente la Tierra hace unos 65 millones de años. 
Crédito: Ingvars Tomsons / CCA-SA-4.0
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Cuando detectamos los planetas, lunas y otros cuerpos visibles del Sistema Solar, incluso las estrellas ubicadas mucho más allá, mayormente parecen blancos a nuestros ojos. Hay notables excepciones, ya que Marte es notoriamente rojo, la Tierra parece azul desde el espacio al igual que Urano y Neptuno. Saturno es de un color amarillento en general y las estrellas van del rojo al naranja, al amarillo, al blanco y al azul. Sin embargo, la mayoría de los objetos parecen blancos. Es el color de la luz solar reflejada, o la luz emitida por una estrella en gran parte similar al Sol.

Lo que esto significa, por supuesto, no es que los objetos sean en realidad de naturaleza blanca. Significa que la cantidad de luz que los deja y nos alcanza, no es más roja ni más azul en color relativo que la luz solar. Cuando miras a la Luna en el cielo nocturno, parece de naturaleza blanca, con algunas áreas más brillantes y otras más oscuras. Sin embargo, en realidad, la Luna en sí es de un color gris oscuro. Esto es algo que aprendimos de primera mano no solo al visitar la Luna, sino al traer muestras lunares a la Tierra. En promedio, la Luna refleja solo ~ 12% de la luz solar que la golpea.

Apolo 11 llevó humanos a la superficie de la Luna por primera vez en 1969. Aquí, Buzz Aldrin está preparando el experimento del viento solar como parte de Apolo 11, con Neil Armstrong tomando la fotografía. Tenga en cuenta que la Luna aparece de color gris oscuro, en lugar de blanco: refleja solo el 12% de la luz solar incidente.
Crédito: NASA / APOLO 11.

El albedo de un cuerpo y su medida de forma remota

Resulta que los planetas reflejan una cantidad enormemente variada de luz solar, dependiendo de su composición y otras propiedades. De los ocho planetas principales de nuestro Sistema Solar, solo Mercurio es menos reflectante que la Luna, con un 11%. La Tierra, refleja aproximadamente ~ 30% de la luz solar que la golpea. En gran parte es debido a los casquetes polares, los glaciares, la capa de nieve y hielo estacional y la presencia de nubes altamente reflectantes. La luna helada de Saturno, Encélado, tiene el honor de ser el cuerpo más reflectante conocido en el Sistema Solar: ~ 99% reflectante. El nivel de reflectividad de un objeto se conoce como albedo. Un cuerpo con un albedo de 1 es 100% reflectante y uno con albedo de 0 no refleja nada de luz.

En realidad, esto es algo que podemos medir de forma remota por una sencilla razón. Es porque sabemos cómo se propaga la luz solar una vez que sale de la fuente. Si se aleja dos veces más del Sol, parecerá sólo ¼ de brillante que antes. Es así, porque se necesitaría el doble de largo y de ancho (cuatro veces el área de la superficie) para captar la misma cantidad de luz. Si se aleja tres veces más del Sol, un objeto captará solo una novena parte de la cantidad de luz. La luz del Sol se esparce en forma esférica a medida que sale de la fuente. Esto explica por qué nuestras misiones de naves espaciales más distantes y remotas dependen de generadores nucleares, no de paneles solares.

La relación entre el brillo y la distancia y cómo el flujo de una fuente de luz cae como uno sobre el distancia al cuadrado. Un satélite que esté dos veces más lejos de la Tierra que otro aparecerá solo un cuarto más brillante, pero el tiempo de viaje de la luz se duplicará y la cantidad de rendimiento de datos también se dividirá en cuatro.
Crédito: E. Siegel / Más allá de la Galaxia.

El caso de Júpiter y Saturno

Además, cuanto más lejos está un observador de un objeto reflejado, más débil parece. Este no es el mismo efecto que estar más lejos de la fuente de luz que refleja un objeto, pero es adicional y acumulativo. Tomemos a Saturno y Júpiter, por ejemplo. El 21 de Diciembre, estos dos mundos se alinearán en el cielo desde la perspectiva de la Tierra, apareciendo en el mismo lugar con una diferencia de 0,1 ° entre sí. En realidad, Saturno tiene casi el mismo tamaño físico que Júpiter, pero está aproximadamente dos veces más lejos de la Tierra y del Sol que Júpiter. Mientras que Júpiter está a aproximadamente 5 veces la distancia Tierra-Sol, Saturno está como a 10 veces esa distancia.

Pero si miras a Saturno y Júpiter juntos en el cielo, Saturno no es un ¼ tan brillante como Júpiter, sino que parece entre 10 y 20 veces más débil. La razón es triple.

  1. Júpiter es un poco más grande y un poco más reflectante que Saturno. Eso hace que parezca un poco más brillante que el segundo planeta más grande de nuestro Sistema Solar.
  2. Saturno está dos veces más lejos que Júpiter. Eso significa que la luz solar que llega a Saturno es solo aproximadamente ¼ de la intensidad de la luz solar que golpea Júpiter.
  3. Y, para que esa luz regrese a la Tierra, tiene que viajar aproximadamente el doble de lejos de Saturno que de Júpiter. Esa distancia adicional significa que el brillo se disminuye con otro factor de ¼.
Siete planetas del Sistema Solar: Mercurio, Venus, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, con tamaños precisos a lo que se ve desde la Tierra. Su brillo está ajustado. Saturno es muchas veces más débil que Júpiter, a pesar de tener casi el mismo tamaño y casi la misma reflectividad. Su brillo es una función de su distancia mucho mayor tanto del Sol como de la Tierra. 

El albedo de los asteroides del Cinturón Principal

Cuando miramos los asteroides en nuestro Sistema Solar, podemos saber con una mínima incertidumbre cuán intrínsecamente reflectante es un asteroide. Ello es debido a lo bien que entendemos la gravedad y lo exitosos que somos en la reconstrucción de sus órbitas. La mayoría de los asteroides que conocemos, aproximadamente 3 de cada 4 asteroides, son asteroides carbonáceos, que son extremadamente intrínsecamente oscuros. Solo reflejan entre el 3% y el 9% de la luz solar que los golpea, y están muy agotados en términos de materiales volátiles. Estos son cosas como el hidrógeno, el helio y varios hielos que son fáciles de hervir. Los otros tipos de asteroides principales están hechos principalmente de hierro metálico o una mezcla de hierro con silicatos. Son mucho más reflectantes que los asteroides carbonosos.

Aunque hemos visitado muchos asteroides a lo largo de los años, solo hemos realizado una misión de retorno de muestra una vez. Esta fue, cuando la misión Hayabusa de la década pasada visitó el asteroide Itokawa y trajo una muestra a la Tierra. Todos los demás experimentos con asteroides que hemos realizado en la Tierra solo han sido posibles porque hemos recuperado meteoritos que tenían un origen asteroidal. Pero recuperar material de asteroides en el espacio, antes de que atraviesen la atmósfera terrestre e impacten nuestra superficie, es una historia muy diferente.

Recolectando y trayendo a la Tierra muestras del asteroide Ryugu

En esta foto del 7 de diciembre de 2020, los científicos recuperan con éxito el contenedor que recogió muestras del asteroide Ryugu. Después de viajar a unos 300 millones de kilómetros de distancia, Hayabusa-2 recolectó con éxito material del asteroide y lo devolvió a la Tierra. El material será analizado para una variedad de propósitos científicos.
Crédito: Agencia De Exploración Aeroespacial De Japón, (JAXA)
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Cuando abrimos el contenedor de muestras de Hayabusa-2, que visitó el asteroide carbonoso Ryugu, el “material negro similar a la arena” que se encontró en el interior encajaba muy bien con lo que esperábamos. La superficie de una carretera, cuando está recién pavimentada con asfalto negro, tiene un albedo de aproximadamente 0,04, que corresponde a un 4% de reflectancia. La pintura acrílica negra es un poco peor, con un albedo de 0,05, que corresponde a un 5% de reflectancia. El material encontrado dentro de Hayabusa-2 es extremadamente consistente con provenir de un asteroide del tipo más oscuro conocido.

Lo cual es excelente, porque eso es precisamente lo que pretendíamos hacer. Hay una serie de misterios que esperamos responder sobre nuestro Sistema Solar temprano, y la misión Hayabusa-2 es una oportunidad científica increíble. Lo que hicimos fue enviar a Hayabusa-2 a unos 300 millones de kilómetros de distancia, aproximadamente el doble de la distancia Tierra-Sol, al Cinturón de Asteroides, donde se encontró con el asteroide Ryugu. Después de recoger el polvo de la superficie, Hayabusa-2 disparó un impactador contra el asteroide, levantando material prístino debajo de la superficie, que también recogió. Ambos conjuntos de materiales fueron devueltos a salvo a la Tierra, donde ahora se han recuperado y están a la espera de análisis.

Yuichi Tsuda (Hayabusa-2), celebrando el regreso de muestras de Ryugu.
Crédito: (STR / JIJI Press / AFP) / Japón OUT/ JIJI Press / AFP-Getty Images.

Los asteroides son algunos de los materiales más prístinos que quedan de la formación del Sistema Solar. 

Hace unos 4.600 millones de años, nuestro Sistema Solar era una nebulosa pre-solar, donde una nube central de gas colapsó para formar una estrella. El material exterior formó un disco protoplanetario, donde pequeñas inestabilidades gravitacionales crecieron y atrajeron masa. Los grupos de mayor masa se convirtieron en sistemas planetarios. Mientras que el Cinturón de Asteroides y el Cinturón de Kuiper permanecieron como conjuntos de numerosos cuerpos con una masa demasiado baja para formar un planeta. Incluso si tuviéramos que combinar todos los objetos en el Cinturón de Asteroides, no sería ni la mitad de grande que nuestra Luna.

Entonces, se cree que estos asteroides son reliquias de los primeros días de nuestro Sistema Solar, de composición similar a los mantos de los planetas. También es posible que parte del material más importante que tenemos aquí en la Tierra llegara cuando los asteroides bombardearon nuestro planeta después de formado. ¿Es de ahí de donde vino el agua de la Tierra? ¿Será de ahí donde se originó el complejo material orgánico que dio origen a la vida? ¿Es este asteroide realmente de 4.5 a 4.6 mil millones de años, como creemos que debería ser? 

En los primeros días del Sistema Solar, antes de que se formaran los planetas, un disco protoplanetario envolvía al joven Sol. Los planetesimales que se formaron se convirtieron en planetas. Las regiones que no eran lo suficientemente densas dieron lugar al Cinturón de Asteroides y al Cinturón de Kuiper. Estas sobras del Sistema Solar temprano proporcionan pistas sobre el origen de nuestro planeta.
Crédito: NASA / GSFC.

El misterio de los cóndrulos

¿Esta muestra contiene condrulos: granos redondos que se cree que se formaron en el Sistema Solar extremadamente temprano?

El misterio de los cóndrulos es fascinante, porque hay una desintegración radiactiva particular que ocurre en ellos. Los cóndrulos que hemos encontrado en los meteoritos, todos se han formado dentro de una ventana increíblemente estrecha: hace unos 4.567 millones de años. La incertidumbre es de solo ± 0,001 mil millones de años sobre eso. Pero, no sabemos si estos cóndrulos se formaron antes o después de los planetas, ya que no conocemos bien la historia temprana del Sistema Solar. Esto último es debido a la falta de evidencia. Si Ryugu tiene estos cóndrulos , eso probablemente nos dice que se formaron antes que los planetas; si no, tal vez solo se formaron después.

Uno de los objetivos de la ciencia de la formación planetaria es comprender cómo pasamos de un disco protoplanetario de pequeños granos al Sistema Solar actual. Para llegar allí, debemos comprender el orden en que sucedieron las cosas. Cuando nuestro joven Sol estaba rodeado por mero gas, lo primero que se formó fueron las inclusiones ricas en calcio y aluminio (CAI). Estas aparecen como manchas blancas en prácticamente todos los meteoritos. ¿Fueron los cóndrulos lo segundo en formarse? Y si es así, ¿cómo se formaron?; requieren temperaturas muy altas seguidas de un enfriamiento rápido. Si esto ocurrió, todavía no tenemos un modelo de trabajo sobre cómo hacerlo.

Aquí se muestran ocho tipos diferentes de texturas de condrulos, donde cada grano redondeado es más pequeño que aproximadamente un milímetro de diámetro. Estos cóndrulos tienen más de 4.500 millones de años, pero no sabemos cómo se formaron ni por qué vienen en el conjunto de variedades que forman.
Crédito: Antonio Ciccolella / Cicconorsk De Wikimedia Commons.

Hay muchas preguntas a contestar

¿Los cóndrulos encontrados en Ryugu serán similares a los que hemos encontrado en la Tierra, o serán únicos? ¿Quizás solo un tipo encontrado antes de la entrada atmosférica? ¿Habrá algunos condrulos? ¿Y OSIRIS-REx , programado para regresar del asteroide Bennu en 2023, revelará algo consistente, complementario o en conflicto con Ryugu cuando regrese?

También estamos preparados para saber cómo, después de ~ 4.600 millones de años, el viento solar ha afectado la superficie de un asteroide. ¿Estos protones del viento solar han chocado con átomos de oxígeno en el asteroide, creando moléculas de agua? ¿Habrá permitido esto reacciones que solo son posibles en un ambiente acuoso? ¿Fueron los asteroides y / o cometas los responsables de traer agua a la Tierra?¿Los niveles de deuterio que encontremos (en relación con el hidrógeno) serán consistentes con el deuterio que se encuentra en la Tierra? O bien, ¿serán como en el cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko (que visitó Rosetta), con demasiado deuterio para parecerse a la Tierra?  Y, como muchos asteroides, ¿tendrá moléculas orgánicas complejas, una amplia variedad de aminoácidos e incluso estructuras moleculares fascinantes que no se encuentran naturalmente en la Tierra?

Las firmas de moléculas orgánicas que dan vida se encuentran en todo el cosmos, incluso en la región de formación de estrellas más grande y cercana: la Nebulosa de Orión. Muchas moléculas orgánicas también se encuentran dentro de los meteoritos. Pero se desconoce si estas moléculas llegaron a la Tierra y dieron lugar a la vida que ahora existe en nuestro planeta, ni cómo.
Crédito: ESA, HEXOS y el Consorcio HIFI; E. Bergin.

Este material negro similar a la arena tiene las respuestas. 

Ahora que ha regresado la primera muestra de Hayabusa-2, que recolectó material tanto de la superficie como debajo de la superficie del asteroide Ryugu, comienza la fase de análisis más importante. Dentro de estos diminutos granos de material, que probablemente sea más antiguo que el planeta Tierra, se pueden encontrar firmas de los primeros días de nuestro Sistema Solar. ¿Obtendremos finalmente una pista sobre el origen de estos granos redondos muy antiguos, cóndrulos, o estas observaciones solo profundizarán el misterio? ¿Conoceremos el origen del agua de la Tierra o de los compuestos orgánicos? ¿Conseguiremos siquiera conocer el origen de la vida en nuestro planeta?

Con cada nueva medición y descubrimiento, el cuerpo de nuestro conocimiento científico crece. Esto nos brinda una oportunidad sin precedentes para crecer y refinar nuestra imagen de cómo las cosas llegaron a ser tal como las observamos hoy. 

Nuestro Sistema Solar tiene una rica historia, la mayor parte de la cual ha sido borrada en gran parte por el implacable paso del tiempo. Tomar muestras de este material primitivo y prístino y devolverlo a la Tierra para su análisis brinda la oportunidad de arrojar luz sobre nuestros primeros días. No importa qué es lo que encontremos, este es un gran salto hacia atrás en el tiempo. Permitirá quitar el velo de lo desconocido que envuelve uno de nuestros misterios más profundos: las condiciones originales en la Tierra justo después de su formación. Ese es un avance científico que vale la pena celebrar, sin importar lo que los datos terminen enseñándonos.

Fuente: Forbes, Starts with a Bang.

Artículo original: «Why Is Asteroid Dust So Black? Ethan Siegel. December 15, 2020.

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Crédito: 
LAN, NASA JPL-Calthec, UCLA, MPS, DLR, IDA.

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