Un equipo de investigación internacional interdisciplinario ha descubierto recientemente que una anomalía masiva en las profundidades del interior de la Tierra puede ser un remanente de la colisión hace unos 4.500 millones de años que formó la Luna.
por la Academia China de Ciencias
Esta investigación ofrece nuevos conocimientos importantes no sólo sobre la estructura interna de la Tierra sino también sobre su evolución a largo plazo y la formación del sistema solar interior.
El estudio, que se basó en métodos computacionales de dinámica de fluidos iniciados por el profesor Deng Hongping del Observatorio Astronómico de Shanghai (SHAO) de la Academia de Ciencias de China, se publicó como portada destacada en Nature el 2 de noviembre.
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 la luna se formó a partir de los escombros generados por esta colisión.
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 Theia.
Dado que Gaia y Theia eran formaciones relativamente independientes y estaban compuestas de materiales diferentes, la teoría sugería que la Luna (dominada por material de Theian) y la Tierra (dominada por material de Gaia) deberían tener composiciones distintas. 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 refinar aún más la teoría de la formación lunar, el profesor Deng comenzó 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, el profesor Deng descubrió que la Tierra primitiva exhibía estratificación del manto después del impacto, con el manto superior e inferior teniendo diferentes composiciones y estados. Específicamente, el manto superior presentaba un océano de magma, creado mediante una mezcla minuciosa de material de Gaia y Theia, mientras que el manto inferior 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», dijo Deng.
Después de conversaciones con geofísicos del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich, el profesor Deng y sus colaboradores se dieron 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 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 manto superior, según un estudio anterior del profesor Deng.
«Nuestros hallazgos desafían la noción tradicional de que el impacto gigante condujo a la homogeneización de la Tierra primitiva«, afirmó el profesor Deng. «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 la heterogeneidad del manto de la Tierra 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 debajo 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.
El Dr. Yuan Qian del Instituto de Tecnología de California, junto con sus colaboradores, propuso que los LLVP podrían haber evolucionado a partir de una pequeña cantidad de material theiano que entró en el manto inferior de Gaia. Posteriormente invitaron al profesor Deng a explorar la distribución y el estado del material theiano en las profundidades de la Tierra después del impacto gigante.
Mediante un análisis en profundidad de simulaciones anteriores de impactos gigantes y realizando nuevas simulaciones 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, el profesor Deng invitó al astrofísico computacional Dr. Jacob Kegerreis 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 del manto, formó dos regiones LLVP prominentes. Estos LLVP se han mantenido estables a lo largo de 4.500 millones de años de evolución geológica.
La heterogeneidad en el manto profundo, ya sea en los reflectores del medio manto o en los LLVP de la base, sugiere que el interior de la Tierra está lejos de ser un sistema uniforme y «aburrido». De hecho, pequeñas cantidades de heterogeneidad profundamente arraigada pueden ser sacadas a la superficie mediante plumas del manto (corrientes térmicas ascendentes cilíndricas causadas por la convección del manto), como las que probablemente formaron Hawaii e Islandia.
Por ejemplo, los geoquímicos que estudian las proporciones de isótopos de gases raros en muestras de basalto islandés han descubierto que estas muestras contienen componentes diferentes de los materiales superficiales típicos. Estos componentes son restos de heterogeneidad en el manto profundo que data de hace más de 4.500 millones de años y sirven como claves para comprender el estado inicial de la Tierra e incluso la formación de planetas cercanos.
Según el Dr. Yuan, «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».
El profesor Deng ve un papel aún más amplio para el estudio actual. «Esta investigación incluso proporciona inspiración para comprender la formación y habitabilidad de exoplanetas más allá de nuestro sistema solar».
Más información: Qian Yuan, Impactador de formación de luna como fuente de anomalías del manto basal de la Tierra, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06589-1 . www.nature.com/articles/s41586-023-06589-1
