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Lo que no se pega, vuelve: Utilizando el aprendizaje automático y simulaciones de impactos gigantes, los investigadores del Laboratorio Lunar y Planetario descubrieron que los planetas que residen en los sistemas solares interiores probablemente nacieron de repetidas colisiones de tipo "hit and run", desafiando los modelos convencionales de formación de planetas.
La formación de planetas -el proceso por el que se forman planetas nítidos, redondos y distintos a partir de una nube agitada y arremolinada de asteroides y miniplanetas- fue probablemente más desordenada y complicada de lo que la mayoría de los científicos quisieran admitir, según una nueva investigación dirigida por investigadores del Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona.
Los hallazgos desafían la visión convencional, según la cual las colisiones entre los bloques de construcción más pequeños hacen que se peguen y, con el tiempo, las colisiones repetidas acumulan nuevo material en el planeta bebé en crecimiento.
En cambio, los autores proponen y demuestran pruebas de un novedoso escenario de "golpe y fuga y retorno", en el que los cuerpos preplanetarios pasaron una buena parte de su viaje por el sistema solar interior chocando y rebotando unos contra otros, antes de volver a encontrarse en un momento posterior. Al haber sido ralentizados por su primera colisión, sería más probable que se mantuvieran juntos la siguiente vez. Imagínese una partida de billar en la que las bolas se detienen, en lugar de lanzar bolas de nieve a un muñeco de nieve, y entenderá la idea.
La investigación se publica en dos informes que aparecen en el número del 23 de septiembre de la revista The Planetary Science Journal, uno de ellos centrado en Venus y la Tierra, y el otro en la luna terrestre. Según el equipo de autores, dirigido por el profesor de ciencias planetarias y de la LPL Erik Asphaug, el punto central de ambas publicaciones es 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 tipo hit-and-run. Esto significa que para que dos planetas se fusionen, por lo general, primero hay que frenarlos en una colisión con fuga", dijo Asphaug. "Pensar en los impactos gigantes, por ejemplo la formación de la Luna, como un evento singular es probablemente un error. Es más probable que se produjeran dos colisiones seguidas".
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 trabajo, dirigido por Alexandre Emsenhuber, que realizó este trabajo durante una beca postdoctoral en el laboratorio de Asphaug y que ahora está en la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich, la joven Tierra habría servido para ralentizar los cuerpos planetarios que se entrecruzaban, haciendo que, en última instancia, fuera más probable que colisionaran y se pegaran a Venus.
"Creemos que durante la formación del sistema solar, la Tierra primitiva actuó como una vanguardia para Venus", dijo Emsenhuber.
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| Los planetas terrestres del sistema solar interior, mostrados a escala. Según la teoría de la "acreción tardía", Marte y Mercurio (delante a la izquierda y a la 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. Las nuevas investigaciones se centran en la preponderancia de las colisiones de tipo "hit-and-run" en los impactos gigantes, y muestran que la proto-Tierra habría servido de "vanguardia", frenando a los cuerpos del tamaño de un planeta en el "hit-and-run". Pero es proto-Venus, la mayoría de las veces, el que finalmente los acumula, lo que significa que era más fácil para Venus adquirir cuerpos del sistema solar exterior. Crédito: Lsmpascal - Wikimedia commons |
El sistema solar es lo que los científicos llaman un pozo de gravedad, el concepto en el que se basa una popular atracción en las exposiciones científicas. Los visitantes lanzan una moneda en un pozo gravitatorio con forma de embudo y 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 que experimentan los planetas. Por eso, los planetas interiores del sistema solar en los que se centraron estos estudios -Mercurio, Venus, la Tierra y Marte- orbitan el sol más rápido que, por ejemplo, Júpiter, Saturno y Neptuno. En consecuencia, cuanto más cerca se aventura un objeto del sol, más probable es que se quede allí.
Así, cuando un planeta intercalado choca con la Tierra, es menos probable que se pegue a ella y, en cambio, es más probable que acabe en Venus, explicó Asphaug.
"La Tierra actúa como un escudo, proporcionando una primera parada contra estos planetas que impactan", dijo. "Lo más probable es que un planeta que rebote contra la Tierra choque contra Venus y se fusione con él".
Emsenhuber utiliza la analogía de una pelota que rebota en una escalera para ilustrar la idea de lo que impulsa el efecto de vanguardia: Un cuerpo que llega desde el sistema solar exterior es como una pelota que rebota por unas escaleras, y cada rebote representa una colisión con otro cuerpo.
"A lo largo del camino, la pelota pierde energía, y se verá que siempre rebotará hacia abajo, nunca hacia arriba", dijo. "Por eso, el cuerpo ya no puede salir del sistema solar interior. Por lo general, sólo va hacia abajo, hacia Venus, y un impactador que colisiona con Venus es bastante feliz permaneciendo en el sistema solar interior, por lo que en algún momento va a chocar con Venus de nuevo".
La Tierra no tiene esa vanguardia para frenar a los planetas que se entrecruzan. Esto lleva 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 no importa realmente si los planetas chocan y no se fusionan de inmediato, porque van a chocar de nuevo en algún momento y se fusionarán entonces", dijo Emsenhuber. "Pero eso no es lo que encontramos. Encontramos que terminan más frecuentemente formando parte de Venus, en lugar de regresar a la Tierra. Es más fácil ir de la Tierra a Venus que al revés".
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. A continuación, el equipo utilizó estos datos para calcular rápidamente la evolución orbital, incluidos los choques y las colisiones de 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 principales problemas del modelo estándar de impacto gigante.
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| Se cree que la luna es la consecuencia de un impacto gigante. Según una nueva teoría, hubo dos impactos gigantes seguidos, separados por alrededor de 1 millón de años, que involucraron a una "Theia" del tamaño de Marte y a la proto-Tierra. En esta imagen se simula en 3D la colisión propuesta, que se produce una hora después del impacto. Una vista recortada muestra los núcleos de hierro. Theia (o la mayor parte de ella) apenas escapa, por lo que es probable una colisión posterior. Crédito: A. Emsenhuber/Universidad de Berna/Universidad de Múnich |
"El modelo estándar para la luna requiere una colisión muy lenta, relativamente hablando", dijo Asphaug, "y crea una luna que está compuesta en su mayor parte por el planeta que impacta, no por la proto-Tierra, lo cual es un gran problema 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 choca con la Tierra, como en el modelo estándar, pero es un poco más rápido, por lo que sigue avanzando. Vuelve en aproximadamente un 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 se habría producido la segunda colisión, lenta y de fusión, en primer lugar".
Los investigadores creen que la asimetría resultante en la forma en que se unieron los planetas señala el camino para futuros estudios que aborden la diversidad de los planetas terrestres. Por ejemplo, no entendemos cómo la Tierra terminó con un campo magnético mucho más fuerte que el de Venus, o por qué Venus no tiene luna.
Según Asphaug, su investigación indica diferencias sistemáticas en la dinámica y la composición.
"Desde nuestro punto de vista, la Tierra habría acumulado la mayor parte de su material a partir de colisiones que fueron golpes frontales, o bien más lentos que los experimentados por Venus", dijo. "Las colisiones contra la Tierra que fueron más oblicuas y de mayor velocidad habrían acabado preferentemente en Venus".
Esto crearía un sesgo en el que, por ejemplo, los protoplanetas del sistema solar exterior, a mayor velocidad, se habrían adherido preferentemente a Venus en lugar de a la Tierra. En resumen, Venus podría estar compuesto de material que era más difícil de conseguir para la Tierra.
"Se podría pensar que la Tierra está compuesta más por 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 acrezca material del sistema solar exterior", dijo Asphaug.
Fuentes, créditos y referencias:
Collision Chains among the Terrestrial Planets. II. An Asymmetry between Earth and Venus. The Planetary Science Journal. doi.org/10.3847/PSJ/ac19b1
Imágen: Ilustración artística de dos objetos masivos colisionando. Crédito: NASA/JPL-Caltech