Un mecanismo libre de impactos para suministrar agua a planetas terrestres y exoplanetas
Cuando se formó la Tierra hacía demasiado calor para retener hielo. Esto significa que toda el agua de nuestro planeta debe tener su origen en fuentes extraterrestres. Estudios de antiguas rocas terrestres sugieren que existió agua líquida en la Tierra tan pronto como 100 millones de años después de la formación del Sol, es decir, 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 hidrológico de la Tierra.
El equipo de investigación de Quentin Kral, astrofísico en el Observatorio de París-PSL, CNRS, Universidad de la Sorbona, Universidad París Ciudad, ha propuesto recientemente una nueva teoría para explicar cómo llegó el agua a la Tierra.
Un misterio que lleva miles de millones de años en desarrollo
Los astrofísicos llevan décadas debatiendo la cuestión de cómo llegó el agua a nuestro joven planeta. Una de las primeras hipótesis sugería que el agua de la Tierra era un subproducto directo de la formación del planeta, liberada a través del magma durante las erupciones volcánicas, en las que la mayor parte del gas emitido es vapor de agua.
Sin embargo, esta hipótesis evolucionó en la década de 1990 tras el análisis de la composición del agua de la Tierra y el descubrimiento del potencial papel de los cometas helados, apuntando a un origen extraterrestre.
Los cometas, que son mezclas de hielo y roca formadas en los confines del sistema solar, a veces son expulsados hacia el Sol. Cuando se calientan con el sol, forman llamativas colas de polvo y gas que son visibles desde la Tierra. Los asteroides, ubicados en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter, también fueron propuestos como posibles progenitores del agua de la Tierra.
El estudio de las rocas de cometas y asteroides a través de los meteoritos (pequeños fragmentos de estos cuerpos que han caído a la Tierra) ha proporcionado conocimientos clave. Al analizar la relación D/H (la proporción de hidrógeno pesado (deuterio) con respecto al hidrógeno estándar), los científicos descubrieron que el agua de la Tierra se asemeja más a la de los asteroides "carbonosos", que contienen rastros de agua del pasado. Esto desvió el foco de la investigación hacia estos asteroides.
Estudios recientes se han centrado en identificar los mecanismos celestes que podrían haber llevado estos asteroides ricos en agua a la superficie seca de la Tierra primitiva. Han surgido numerosas teorías para explicar la "perturbación" de los planetesimales, grandes cuerpos helados en los cinturones de asteroides y de Kuiper.
Estos escenarios proponen interacciones gravitacionales que desalojaron estos objetos y los enviaron a toda velocidad hacia la Tierra. Tales eventos habrían requerido un complejo proceso de "billar gravitacional", lo que sugiere una tumultuosa historia del sistema solar.
Si bien es evidente que la formación planetaria implicó importantes trastornos e impactos, es posible que el aporte de agua a la Tierra se produjera de una manera más natural y menos dramática.
Imagen: El cinturón de asteroides se encuentra entre Marte y Júpiter, mientras que el cinturón de Kuiper se extiende más allá de Neptuno. Pline/Wikipedia, CC BY
Una hipótesis más sencilla
"Partí de la base de que los asteroides emergen helados de su envoltura de formación, también conocida como disco protoplanetario. Esta envoltura es un disco enorme, rico en hidrógeno y lleno de polvo, donde se forman los planetas y los cinturones iniciales. Envuelve todo el sistema planetario naciente. Una vez que se disipa este capullo protector –después de unos pocos millones de años– los asteroides se calientan, lo que hace que su hielo se derrita o, más precisamente, se sublime. En el espacio, donde la presión es casi nula, el agua permanece en forma de vapor después de este proceso", dice Quentin Kral.
Luego, un disco de vapor de agua se superpone al cinturón de asteroides que orbita alrededor del Sol. A medida que el hielo se sublima, el disco se llena de vapor, que se expande hacia el interior del Sol debido a complejos procesos dinámicos. En su recorrido, este disco de vapor se topa con los planetas interiores, sumergiéndolos en una especie de "baño". De alguna manera, el disco "riega" los planetas terrestres: Marte, la Tierra, Venus y Mercurio.
La mayor parte de esta captura de agua ocurrió entre 20 y 30 millones de años después de la formación del Sol, durante un período en el que la luminosidad del Sol aumentó drásticamente en un breve período de tiempo, incrementando la tasa de desgasificación de los asteroides.
Una vez que el agua es capturada por la atracción gravitatoria de un planeta, pueden ocurrir muchos procesos. Sin embargo, en la Tierra, un mecanismo de protección garantiza que la masa total de agua se haya mantenido relativamente constante hasta hoy desde el final del período de captura. Si el agua sube demasiado a la atmósfera, se condensa en nubes, que finalmente regresan a la superficie en forma de lluvia, un proceso conocido como el ciclo del agua.
Las cantidades de agua en la Tierra, tanto en el pasado como en el presente, están bien documentadas. El nuevo modelo, que comienza con la desgasificación del 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 las profundidades del manto terrestre. Las mediciones precisas de la relación D/H del agua en los océanos también coinciden con el modelo. Además, el modelo explica las cantidades de agua presentes en el pasado en otros planetas, e incluso en la Luna.
Imagen derecha: Ilustración paso a paso de un nuevo modelo de distribución del agua en los planetas interiores del sistema solar, incluida la Tierra. Cinco millones de años después del nacimiento del Sol, los asteroides del cinturón principal liberan vapor de agua gracias a la energía solar. Este vapor se extiende gradualmente hacia el interior del sistema solar y acaba envolviendo a los planetas, que capturan parte de él para formar océanos entre 10 y 100 millones de años más tarde. Sylvain Cnudde/Observatoire de Paris -- PSL/LESIA
"Quizás se pregunten cómo llegué a esta nueva teoría. Se trata de observaciones recientes, en particular las realizadas con ALMA, un conjunto de radiotelescopios de más de 60 antenas ubicado en Chile, en una meseta a cinco kilómetros sobre el nivel del mar. Las observaciones de sistemas extrasolares con cinturones similares al cinturón de Kuiper revelan que los planetesimales de estos cinturones subliman monóxido de carbono (CO). En los cinturones más cercanos a su estrella, como el cinturón de asteroides, el CO es demasiado volátil para estar presente y es más probable que se libere agua", dice Quentin Kral.
La construcción del modelo
A partir de estos hallazgos, 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, proporcionaron una confirmación clave.
Estas misiones, junto con observaciones de larga data realizadas con telescopios terrestres, revelaron cantidades sustanciales de minerales hidratados en estos asteroides, minerales que solo pueden formarse a través del contacto con el agua. Esto apoya la premisa de que estos asteroides inicialmente eran helados, aunque la mayoría ha perdido su hielo desde entonces (a excepción de cuerpos más grandes como Ceres).
Con la base del modelo establecida, 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 los planetas. Durante estas simulaciones, rápidamente se hizo evidente que el modelo podía explicar el suministro de agua de la Tierra. Investigaciones adicionales sobre las cantidades de agua en Marte en el pasado y otros planetas terrestres confirmaron la aplicabilidad del modelo también a ellos. Todo encajaba y los resultados estaban listos para su publicación.
Pero no basta con diseñar un modelo que funcione y parezca explicarlo todo. La teoría debe probarse a mayor escala. Si bien ahora es imposible detectar el disco de vapor de agua inicial que "regó" los planetas terrestres, podemos observar sistemas extrasolares con cinturones de asteroides jóvenes para ver si existen tales discos de vapor de agua. Según los cálculos del equipo, estos discos, aunque débiles, deberían ser detectables con ALMA. El equipo acaba de conseguir tiempo en ALMA para investigar sistemas específicos en busca de evidencias de su existencia.
Es posible que estemos en el amanecer de una nueva era en la comprensión de los orígenes del agua de la Tierra.
La investigación se ha publicado en la revista Astronomy & Astrophysics: An impact-free mechanism to deliver water to terrestrial planets and exoplanets
