La química dice que la Luna está hecha del manto terrestre

Pequeñas diferencias en la separación de los isótopos de potasio entre la Luna y la Tierra estaban ocultos debajo de los límites de detección de la tecnología analítica hasta ahora. Pero en 2015, el geoquímico de la Universidad de Washington en San Luis Kun Wang; y Stein Jacobsen, profesor de geoquímica de la Universidad de Harvard, desarrollaron una técnica para el análisis de isótopos que puede alcanzar precisiones diez veces más perfeccionadas que el mejor método anterior.

Wang y Jacobsen han revelado ahora diferencias isotópicas entre las rocas lunares y terrestres que proporcionan la primera evidencia experimental que puede discriminar entre los dos modelos principales para el origen de la Luna. En un modelo, un impacto de baja energía deja a la proto-Tierra y a la Luna envueltos en una atmósfera de sílice; en la otra, un impacto mucho más severo vaporiza el impactador y la mayoría de la proto-Tierra, que acaba formando un disco enorme de superfluido del que cristalizará la Luna con el tiempo.

El estudio isotópico, compatible con el modelo de alta energía, se publica en la edición en línea anticipada de Nature del 12 de septiembre. "Nuestros resultados proporcionan la primera evidencia sólida de que el impacto realmente vaporizó (en gran parte) la Tierra", ha afirmado Wang, profesor asistente de ciencias terrestres y planetarias en Artes y Ciencias.

A mediados de la década de 1970, dos grupos de astrofísicos propusieron de forma independiente que la Luna se formó por la colisión entre un cuerpo del tamaño de Marte y la proto-Tierra. La hipótesis del impacto gigante explica muchas observaciones, como el gran tamaño de la Luna respecto a la Tierra y las tasas de rotación de la Tierra y la Luna, y se convirtió en la principal hipótesis para el origen de la Luna.

En 2001, sin embargo, un equipo de científicos informó de que la composición isotópica de una variedad de elementos en las rocas terrestres y lunares son casi idénticas. Los análisis de las muestras traídas por las misiones Apolo en la década de 1970 mostraron que la misma luna tiene las abundancias de los tres isótopos de oxígeno estable, igual que la Tierra.

Esto era muy extraño. Las simulaciones digitales del impacto predecían que la mayor parte del material (60-80 por ciento) que se fusionó en la Luna venían del objeto impactador y no de la Tierra. Pero los cuerpos planetarios formados en diferentes partes del sistema solar tienen, en general, diferentes composiciones isotópicas, así que diferentes firmas isotópicas sirven como "huellas dactilares" de los planetas y meteoritos del mismo cuerpo. La probabilidad de que el impactador tuviera iguales firmas isotópicas que la Tierra era extremadamente pequeña.

Así que la hipótesis del impacto gigante tenía un problema importante. Podría coincidir con muchas de las características físicas del sistema Tierra-Luna, pero no en su geoquímica. Los estudios de composición isotópica habían creado una "crisis isotópica" para la hipótesis.

Ahora, la nueva investigación publicada en Nature se centra en el elemento potasio, e informa de los datos isotópicos de alta precisión de potasio para una muestra representativa de las rocas lunares y terrestres. El potasio tiene solamente dos de los tres isótopos estables, potasio-41 y el potasio-39, que son lo suficientemente abundantes como para ser medida con precisión suficiente para este estudio.

Wang y Jacobsen examinaron siete muestras de roca lunar desde diferentes relaciones de la misión lunar, y compararon sus isótopos de potasio con los de las ocho rocas terrestres representantes del manto de la Tierra. Encontraron que las rocas lunares se enriquecieron con alrededor de 0,4 partes por mil en el isótopo más pesado de potasio, potasio-41.

El único proceso de alta temperatura que podría separar los isótopos de potasio de esta manera, dijo Wang, es la condensación incompleta del potasio respecto del vapor durante la formación de la Luna. En comparación con el isótopo más ligero, el isótopo más pesado decaería preferentemente fuera del vapor y se condensaría.

Los cálculos muestran, sin embargo, que pasaba si este proceso ocurría en un vacío absoluto, dando lugar a un enriquecimiento de isótopos pesados de potasio en muestras lunares de alrededor de 100 acciones por mil, mucho más altas que el valor que Wang y Jacobsen encontrón. Pero na mayor presión suprimiría el fraccionamiento, dijo Wang. Por esta razón, él y su colega predijeron que la Luna se condensó en una presión superior a 10 bares, aproximadamente 10 veces la presión atmosférica al nivel del mar en la Tierra.

Su hallazgo de que las rocas lunares se enriquecen en el isótopo más pesado de potasio no favorece el modelo de la atmósfera de sílice, que predice que las rocas lunares contienen menos cantidad del isótopo pesado que las rocas terrestres, lo contrario de lo que encontraron los científicos.

En su lugar, es compatible con el modelo de la atmósfera del manto, que predice que las rocas lunares contienen más presencia del isótopo pesado que las rocas terrestres.