La Tierra y Venus crecieron como planetas revoltosos

Lo que no se pega, aparece: utilizando el aprendizaje automático y las simulaciones de impactos gigantes, los investigadores del Laboratorio Lunar y Planetario descubrieron que los planetas que residen en el Sistema Solar Interior probablemente nacieron de repetidas colisiones de ‘golpe y fuga’, desafiando los modelos convencionales de formación de planetas. 

Ilustración del artista de dos objetos masivos que chocan.
Crédito: NASA / JPL-Caltech.

La formación de planetas, el proceso por el cual planetas distintos, redondos y prolijos se forman a partir de una nube turbulenta y arremolinada de asteroides rugosos y mini planetas, probablemente fue aún más desordenado y complicado de lo que la mayoría de los científicos querrían admitir, según una nueva investigación dirigida por investigadores del Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona.

Los hallazgos desafían la visión convencional, en la que las colisiones entre bloques de construcción más pequeños hacen que se unan y, con el tiempo, las colisiones repetidas acumulan nuevo material en el creciente planeta bebé.

En cambio, los autores proponen y muestran pruebas de un escenario novedoso de «golpe y fuga-regreso», en el que los cuerpos pre planetarios pasaron una buena parte de su viaje a través del Sistema Solar Interior chocando y rebotando entre sí, antes de encontrarse de nuevo en un momento posterior. Habiendo sido ralentizados por su primera colisión, sería más probable que se mantuvieran juntos la próxima vez. Imagínese un juego de billar, con las bolas moviéndose hacia el reposo, comparado con arrojar bolas de nieve a un muñeco de nieve, y se hará una idea.

Dos publicaciones basadas en el nuevo escenario propuesto para las colisiones gigantes

La investigación se publica en dos informes que aparecen en la edición del 23 de Septiembre de ‘The Planetary Science Journal’, uno que se centra en Venus y la Tierra y el otro en la luna de la Tierra. Un aspecto fundamental de ambas publicaciones, según el equipo de autores, que fue dirigido por el Profesor de Ciencias Planetarias del LPLErik Asphaug, es el punto en gran parte no reconocido de que los impactos gigantes no son las fusiones eficientes que los científicos creían que eran.

«Descubrimos que la mayoría de los impactos gigantes, incluso los relativamente ‘lentos’, son de golpe y fuga. Esto significa que para que dos planetas se fusionen, por lo general primero tienes que frenarlos en una colisión de golpe y fuga», dijo Asphaug. «Pensar en los impactos gigantes, por ejemplo, la formación de la Luna, como un evento singular, probablemente sea incorrecto. Lo más probable es que hayan sido necesarias dos colisiones seguidas».

Los planetas terrestres del Sistema Solar interior, mostrados a escala. 
De acuerdo con la teoría de la «acreción en etapa tardía», Marte y Mercurio (frente a la izquierda y derecha) son lo que queda de una población original de embriones en colisión, y Venus y la Tierra crecieron en una serie de impactos gigantes. Una nueva investigación se centra en la preponderancia de las colisiones de ‘golpe y fuga’ en impactos gigantes, y muestra que la proto-Tierra habría servido como una ‘vanguardia’, ralentizando cuerpos del tamaño de un planeta en golpes y fugas. Pero es el proto-Venus, la mayoría de las veces, el que finalmente los acumula, lo que significa que fue más fácil para Venus adquirir cuerpos del Sistema Solar Exterior.
Crédito: Lsmpascal – Wikimedia commons

A)_ Primera publicación: La Tierra primitiva como un escudo de vanguardia para Venus

Una implicación es que Venus y la Tierra habrían tenido experiencias muy diferentes en su crecimiento como planetas, a pesar de ser vecinos inmediatos en el Sistema Solar Interior. En este artículo, dirigido por Alexandre Emsenhuber, quien hizo este trabajo durante una beca postdoctoral en el laboratorio de Asphaug y ahora se encuentra en la Universidad Ludwig Maximilian en Munich, la joven Tierra habría servido para ralentizar los cuerpos planetarios interrelacionados, haciéndolos finalmente más propensos a colisionar y adherirse a Venus.

«Creemos que durante la formación del Sistema Solar, la Tierra primitiva actuó como una vanguardia para Venus», dijo Emsenhuber.

El Sistema Solar es lo que los científicos llaman ‘un pozo de gravedad’, el concepto detrás de una atracción popular en las exhibiciones científicas. Los visitantes arrojan una moneda a un pozo de gravedad en forma de embudo y luego ven cómo su dinero completa varias órbitas antes de caer en el agujero central. Cuanto más cerca está un planeta del Sol, más fuerte es la gravitación experimentada por los planetas. Es por eso que los planetas internos del Sistema Solar en los que se enfocaron estos estudios (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) orbitan el Sol más rápido que, digamos, Júpiter, Saturno y Neptuno. Como resultado, cuanto más se acerca está un objeto al Sol, es más probable que se quede allí.

Entonces, cuando un planeta intruso golpeaba la Tierra, era menos probable que se pegara a la Tierra y, en cambio, con más probabilidades de terminar en Venus, explicó Asphaug.

«La Tierra actúa como un escudo, proporcionando una primera parada contra estos planetas colisionantes», dijo. «Lo más probable es que un planeta que rebota en la Tierra luego golpee a Venus y se fusione con él».

A1)_ La analogía de la pelota que rebota por la escalera

Emsenhuber utiliza la analogía de una pelota que rebota por una escalera para ilustrar la idea de lo que impulsa el efecto de vanguardia: un cuerpo que viene del Sistema Solar Exterior es como una pelota que rebota por unas escaleras, y cada rebote representa una colisión con otro cuerpo.

«En el camino, la pelota pierde energía y encontrarás que siempre rebota hacia abajo, nunca hacia arriba», dijo. «Por eso, el cuerpo ya no puede salir del Sistema Solar Interior. Por lo general, solo baja las escaleras, hacia Venus, y un impactador que choca con Venus está bastante feliz de quedarse en el Sistema Solar Interior, por lo que en algún momento golpeará a Venus de nuevo».

A2)_ La nueva propuesta explica la diferencia entre la Tierra y Venus

La Tierra no tiene tal vanguardia para ralentizar sus planetas interrelacionados. Esto conduce a una diferencia entre los dos planetas de tamaño similar que las teorías convencionales no pueden explicar, argumentan los autores.

«La idea predominante ha sido que realmente no importa si los planetas chocan y no se fusionan de inmediato, porque se encontrarán de nuevo en algún momento y luego se fusionarán», dijo Emsenhuber. «Pero eso no es lo que encontramos. Descubrimos que terminan convirtiéndose con más frecuencia en parte de Venus, en lugar de regresar a la Tierra. Es más fácil ir de la Tierra a Venus que al revés».

B)_ Segunda publicación: la formación de la Luna como un escenario de golpe-fuga

Se cree que la Luna es la secuela de un impacto gigante. Según una nueva teoría, hubo dos impactos gigantes seguidos, separados por aproximadamente 1 millón de años, que involucraron a una ‘Theia’ del tamaño de Marte y una proto-Tierra. En esta imagen, la colisión propuesta de golpe y fuga se simula en 3D, y se muestra aproximadamente una hora después del impacto. Una vista recortada muestra los núcleos de hierro. Theia (o la mayor parte) apenas se escapa, por lo que es probable que se produzca una colisión posterior.
Créditos: A. Emsenhuber / Universidad de Berna / Universidad de Múnich

Para rastrear todas estas órbitas y colisiones planetarias y, en última instancia, sus fusiones, el equipo utilizó el aprendizaje automático para obtener modelos predictivos a partir de simulaciones en 3D de impactos gigantes. Luego, el equipo utilizó estos datos para calcular rápidamente la evolución orbital, incluidas las colisiones de choque y fuga y fusión, para simular la formación de planetas terrestres en el transcurso de 100 millones de años. En el segundo artículo, los autores proponen y demuestran su escenario de golpe y fuga para la formación de la Luna, reconociendo los problemas principales con el modelo estándar de impacto gigante.

«El modelo estándar para la Luna requiere una colisión muy lenta, relativamente hablando», dijo Asphaug, «y crea una Luna que se compone principalmente del planeta impactante, no de la proto-Tierra, que es un problema importante ya que la Luna tiene una química isotópica casi idéntica a la de la Tierra».

En el nuevo escenario del equipo, un protoplaneta del tamaño aproximado de Marte golpea a la Tierra, como en el modelo estándar, pero es un poco más rápido, por lo que continúa. Vuelve en aproximadamente 1 millón de años para un impacto gigante que se parece mucho al modelo estándar.

«El doble impacto mezcla las cosas mucho más que un solo evento», dijo Asphaug, «lo que podría explicar la similitud isotópica de la Tierra y la Luna, y también cómo la segunda colisión lenta, que condujo a la fusión, habría ocurrido en primer lugar».

Otras conclusiones y estudios futuros

Los investigadores creen que la asimetría resultante en la forma en que se juntaron los planetas señala el camino hacia futuros estudios que aborden la diversidad de planetas terrestres. Por ejemplo, no entendemos cómo la Tierra terminó con un campo magnético que es mucho más fuerte que el de Venus, o por qué Venus no tiene luna.

Su investigación indica diferencias sistemáticas en dinámica y composición, según Asphaug.

«En nuestra opinión, la Tierra habría acumulado la mayor parte de su material a partir de colisiones que fueron golpes de frente, o más lentas que las experimentadas por Venus», dijo. «Las colisiones en la Tierra que fueran más oblicuas y de mayor velocidad habrían terminado preferentemente en Venus».

Esto crearía un sesgo en el que, por ejemplo, los protoplanetas del Sistema Solar Exterior, a mayor velocidad, se habrían acrecido preferentemente a Venus en lugar de a la Tierra. En resumen, Venus podría estar compuesto de material que a la Tierra le resultaba más difícil de conseguir.

«Uno pensaría que la Tierra está compuesta más de material del Sistema Exterior porque está más cerca del Sistema Solar Exterior que Venus. Pero en realidad, con la Tierra en este papel de vanguardia, hace que sea más probable que Venus acumule material del Sistema Solar Exterior», dijo Asphaug.

Los coautores de los dos artículos son Saverio Cambioni y Stephen R. Schwartz en el Laboratorio Lunar y Planetario y Travis SJ Gabriel en la Universidad Estatal de Arizona en Tempe, Arizona.

Fuente: Universidad de Arizona.

Artículo original: Earth and Venus Grew up as Rambunctious Planets‘. Daniel Stolte. Sept. 23, 2021.

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Curiosidades

Un esquema que representa la formación de un planeta del tamaño de Marte (izquierda) y su diferenciación en un cuerpo con un núcleo metálico y un depósito de silicato suprayacente. El núcleo rico en azufre expulsa carbono, produciendo silicato con una alta proporción de carbono a nitrógeno. La colisión de la que se forma la Luna, de un planeta de este tipo con la Tierra en crecimiento (derecha) puede explicar la abundancia de agua y de los principales elementos esenciales para la vida como el Carbono, el Nitrógeno y el Azufre, así como la similitud geoquímica entre la Tierra y la Luna. 
Crédito Imagen: Rajdeep Dasgupta)

La mayoría de los elementos esenciales de la Tierra para la vida, incluidos la mayor parte del Carbono y el Nitrógeno que hay en ti, probablemente provienen de otro planeta.

La Tierra probablemente recibió la mayor parte de su Carbono, Nitrógeno y otros elementos volátiles esenciales para la vida de la colisión planetaria que creó la Luna hace más de 4,4 mil millones de años, según un nuevo estudio:

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