Los grandes misterios del universo a menudo giran en torno a fenómenos distantes e invisibles. Los científicos desconciertan sobre explosiones inexplicables de ondas de radio, la naturaleza evasiva de la gravedad y si la energía oscura impregna el cosmos. Pero se pueden encontrar otros enigmas en nuestro propio rincón de la galaxia, mirándonos directamente a la cara, como cómo la Tierra se convirtió en el planeta que es hoy.
Esta pregunta sigue fascinando a los investigadores que trabajan para comprender cómo se formó la Tierra y por qué es tan adecuada para albergar la vida. Podría haber resultado diferente: solo mira a nuestro vecino más cercano y casi gemelo, Venus, que no tiene agua líquida y cuya superficie es de 870 grados Fahrenheit. "Venus y la Tierra son una especie de último caso de control", dice Sue Smrekar del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. "No entendemos completamente cómo la Tierra terminó tan habitable y Venus tan inhabitable".
Eso es un poco sorprendente, dado que la Tierra es, con mucho, el planeta mejor estudiado del universo. Pero los procesos geológicos como la tectónica de placas reciclan constantemente la evidencia del pasado, y gran parte de la información crítica sobre la composición de la Tierra se esconde en sus vastas profundidades inaccesibles. "Estás tratando de entender un planeta que solo puedes muestrear en la superficie", dice James Badro, geofísico del Instituto de Física de la Tierra en París. Aunque los científicos han acumulado una gran cantidad de conocimiento al estudiar el suelo debajo de nuestros pies, la historia completa de la construcción y evolución de la Tierra sigue siendo desconocida.
Entonces los investigadores han recurrido a los cielos en busca de ayuda. Han estudiado otros sistemas estelares en busca de pistas, y han buscado los bloques de construcción de la Tierra entre los detritos del sistema solar. Ahora, un conjunto de misiones espaciales planificadas y propuestas podría ayudar a los científicos a completar más piezas faltantes.
Desde estudiar nuevos aspectos de los cuerpos protoplanetarios hasta investigar de dónde vienen y cómo se mezclaron, los investigadores esperan precisar los procesos de formación planetaria que crearon la Tierra. Para muchos, es tanto una búsqueda filosófica como científica. "Es una cuestión de nuestros orígenes", dice Badro.
La impresión de un artista de una misión propuesta a Psique, un asteroide que se cree que es completamente de metal. (NASA / JPL-Caltech) La mayoría de los investigadores ahora están de acuerdo con la historia general de nuestro sistema solar. Comenzó hace 4.600 millones de años, cuando una gran nube de gas y polvo que flotaba en el espacio se derrumbó sobre sí misma, tal vez provocada por la onda expansiva de una supernova cercana. La nube aplanada luego se arremolinó en un disco giratorio del cual, unos 100 millones de años después, nuestro sistema solar emergió más o menos en su estado actual: el sol rodeado de ocho planetas e innumerables cuerpos más pequeños dispersos por todas partes.
Sin embargo, los detalles más finos de cómo se formó nuestro vecindario cósmico siguen siendo polémicos. Por ejemplo, los científicos aún debaten de qué están hechos los planetas. "Sabemos cómo se ve el pastel", dice Lindy Elkins-Tanton, de la Universidad Estatal de Arizona, "pero también nos gustaría saber qué aspecto tienen todos esos ingredientes individuales", dice.
Los científicos piensan que los planetas terrestres crecieron engullendo planetesimales más pequeños, objetos de hasta decenas de millas de diámetro que se acumularon a partir del polvo protoplanetario. Pero la composición y estructura de esos planetesimales ha sido difícil de determinar. Estudiar nuestra colección de meteoritos, fragmentos de asteroides que han caído a la Tierra, es un buen lugar para comenzar, dice Francis Nimmo, científico planetario de la Universidad de California en Santa Cruz. Pero no es suficiente.
Esto se debe a que no necesariamente tenemos muestras de todo lo que se introdujo en los planetas; es posible que falten algunos componentes o que ya no existan. Algunos meteoritos parecen ser una buena combinación para la Tierra, pero los científicos no pueden encontrar ninguna combinación de tipos de meteoritos que explique completamente la composición química de la Tierra. "Esto es un poco incómodo porque significa que realmente no sabemos cómo se formó la Tierra", dice Nimmo.
Elkins-Tanton espera que una futura misión propuesta, una de las cinco finalistas para el programa Discovery de la NASA, pueda ayudar. El proyecto, dirigido por Elkins-Tanton, enviaría una nave espacial no tripulada para visitar un objeto llamado Psique, que se encuentra en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter. La psique tiene aproximadamente 150 millas de ancho y, según observaciones remotas de su densidad y composición superficial, parece estar hecha de metal sólido. También puede parecerse a los bloques de construcción de la Tierra.
"Este podría ser el pequeño núcleo de un cuerpo que se formó en la región de formación de planetas terrestres y que fue golpeado por muchas otras cosas y su exterior rocoso fue eliminado", dice Elkins-Tanton. En la misión Dawn de la NASA, los científicos estudiaron el asteroide Vesta, un protoplaneta que probablemente también se formó cerca de la Tierra y luego fue expulsado del cinturón de asteroides. Sin embargo, es la oportunidad única de ver qué hay debajo de la superficie de objetos como Vesta lo que ha entusiasmado a Elkins-Tanton.
"Psique es el único cuerpo en el sistema solar que nos permite observar directamente un núcleo de metal", dice ella. "Esta podría ser nuestra única oportunidad de ver este tipo de ingrediente". Junto con los otros finalistas de Discovery, Elkins-Tanton y sus colegas descubrirán en septiembre si la misión es una misión.
Según el modelo clásico de formación planetaria, una vez que los planetesimales alcanzaron el tamaño de Psique, decenas a cientos de millas de diámetro, comenzaron a canibalizar a sus vecinos, dice Kevin Walsh, científico planetario del Instituto de Investigación del Suroeste en Boulder, Colorado. "Los más grandes crecen muy rápido", dice, gracias a su creciente influencia gravitacional.
Este proceso de acrecentamiento desbocado habría reducido el número de cuerpos en el sistema solar a tal vez un centenar de embriones planetarios del tamaño de la Luna a Marte y un puñado de escombros más pequeños. Con el tiempo, estos embriones se combinaron lentamente para formar planetas.
Pero aunque esta explicación funciona bien para los planetas terrestres, que según la evidencia geológica formada en el transcurso de 30 a 100 millones de años, presenta un problema para los gigantes gaseosos como Júpiter. Los científicos piensan que los núcleos de estos cuerpos tuvieron que crecer mucho más rápido, lo suficientemente rápido como para capturar sus atmósferas masivas del gas presente en el sistema solar temprano, que se disipó en solo unos pocos millones de años.
Durante la última década, los investigadores han desarrollado un mecanismo alternativo para el crecimiento de planetas conocido como acreción de guijarros. Representa una desviación absoluta del modelo convencional de acreción, en el que los objetos se combinan para formar partículas progresivamente más grandes. O, como dice Hal Levison, el colega de Walsh: "Los guijarros hacen cantos rodados, y los cantos rodados hacen montañas, todo el camino". La acumulación de guijarros, por otro lado, predice que los objetos crecen de bultos del tamaño de un puño a cuerpos del tamaño de Plutón. casi de inmediato, y luego continúan ganando masa, dice Levison, quien ayudó a desarrollar la hipótesis.
El proceso habría comenzado poco después de la formación del disco protoplanetario, cuando pedazos de polvo que circulaban en órbita alrededor del joven sol comenzaron a colisionar y a pegarse, como patinadores sincronizados uniendo sus manos mientras circulan por una pista de hielo. Finalmente, las fuerzas aerodinámicas y gravitacionales habrían unido grandes grupos de estas piedras, formando planetesimales. Los planetesimales continuaron barriendo las piedras restantes a su alrededor, creciendo rápidamente hasta que formaron planetas.
Además de abordar la cuestión de cómo los gigantes gaseosos crecieron tan rápido, el modelo también proporciona una manera de superar algo llamado la barrera del tamaño del medidor, que ha plagado modelos de acreción planetaria desde que se describió por primera vez en la década de 1970. Se refiere al hecho de que una vez que los objetos alcanzan aproximadamente tres pies de diámetro, la fricción generada por el gas circundante los habría enviado en espiral hacia el sol. La acumulación de guijarros ayuda a lanzar pequeñas partículas por encima del umbral, haciéndolas lo suficientemente grandes como para sostenerse.
Los científicos todavía están tratando de entender si este proceso ocurrió en todo el sistema solar, y si hubiera sido igual para los planetas interno y externo. (Si bien funciona para los gigantes gaseosos, las etapas posteriores de rápido crecimiento no se ajustan a lo que sabemos sobre la formación de planetas terrestres). Pero los investigadores pueden encontrar algunas pistas más adelante este año, cuando la misión Juno de la NASA, que llegó a Júpiter con éxito el mes pasado, comienza a recopilar información sobre la composición y el núcleo del planeta.
Walsh dice que descubrir cuánto material se encuentra en el centro del gigante gaseoso ayudará a los investigadores a restringir los diferentes modelos de acreción planetaria. Si Júpiter tiene un núcleo pequeño, la acumulación clásica podría haberlo acumulado lo suficientemente rápido; Si es grande, podría implicar que algo así como la acumulación de guijarros tuvo lugar en su lugar, dice.
Júpiter y sus lunas Io, Europa y Ganímedes fotografiados por la misión Juno poco después de que la nave espacial entrara en órbita alrededor del gigante gaseoso. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Comprender cómo se formó Júpiter también ayudará a los investigadores a comprender los orígenes de los otros planetas, incluida la Tierra. Eso se debe a que Júpiter ha sido acusado de entrometerse en la construcción de los planetas rocosos internos, al menos según una nueva idea desarrollada por Walsh y otros que ha ganado fuerza en los últimos años.
La hipótesis, conocida como el modelo Grand Tack, sugiere que cuando Júpiter terminó de formarse, habría eliminado todo el material en su camino alrededor del sol, tallando efectivamente un espacio en el disco protoplanetario. Sin embargo, el disco todavía contenía mucho gas y polvo, que se presionó hacia el sol cuando el disco se aplastó y se estiró, dice Walsh.
La brecha de Júpiter bloqueó efectivamente el flujo de este material, y el planeta quedó "atrapado en las aguas de la inundación", dice Walsh. Emigró alrededor de la órbita de Marte con Saturno cerca de sus talones. Pero cuando Saturno lo siguió, siguió el material suficiente para volver a conectar el disco. Esto liberó la presión que empujaba a Júpiter, permitiendo que ambos planetas migraran nuevamente, todo en el espacio de unos pocos cientos de miles de años. El modelo se inspiró en las observaciones de planetas curiosamente ordenados en otros sistemas solares que sugieren que tales migraciones son comunes, dice Walsh.
Para el resto del sistema solar, esto habría sido algo así como un par de toros en una tienda de porcelana cósmica. Walsh dice que pedazos de escombros del sistema solar interno habrían sido expulsados, mientras que el desorden del sistema externo habría sido arrastrado hacia adentro. El modelo ayuda a explicar las dimensiones del tamaño de Runt de Marte y la cantidad y diversidad de cuerpos que se encuentran hoy en el cinturón de asteroides.
También proporciona una posible explicación de cómo los planetas terrestres obtuvieron su agua. Según Grand Tack, la migración del planeta gaseoso habría tenido lugar mientras los planetas terrestres todavía se estaban formando, y podría haber arrojado material rico en agua del sistema solar exterior a la mezcla. Walsh y muchos otros científicos piensan que los asteroides carbonosos, que pueden haberse formado más allá de Júpiter, fueron los principales vehículos para llevar agua a la Tierra.
Este septiembre, la NASA lanzará una misión para visitar un asteroide llamado Bennu. Walsh es co-investigador del proyecto, llamado OSIRIS-REx, que estudiará el cuerpo desde lejos antes de tomar una muestra para traerla de vuelta a la Tierra. Una misión similar de la agencia espacial japonesa, llamada Hayabusa 2, está en camino de probar otro asteroide carbonoso en 2018.
Los científicos esperan obtener más información sobre el origen de estos asteroides y si realmente son la fuente de una clase de meteoritos conocidos como condritas carbonáceas. También esperan que el estudio de una muestra prístina, en lugar de un fragmento de meteorito, ayude a revelar si estos objetos entregaron no solo agua a la Tierra, sino también los compuestos orgánicos que pudieron haber sido los precursores de la vida.
A medida que OSIRIS-REx regresa a la Tierra, podría cruzarse con Lucy, otra misión propuesta que, como Psique, es finalista en el programa Discovery. Dirigida por Levison, Lucy tiene como objetivo explorar la última sacudida importante que sacudió nuestro sistema solar, un tango planetario que comenzó unos 500 millones de años después de la Gran Vía. Fue entonces cuando, de acuerdo con una hipótesis de Levison y otros, Plutón desencadenó una inestabilidad que provocó que Neptuno se rayase fuera de Urano y los gigantes gaseosos externos migraran lejos del sol a sus posiciones actuales.
Esta perturbación, conocida como el modelo de Niza, habría enviado una lluvia de escombros hacia el sistema solar interno, posiblemente explicando un grupo de impactos formados durante un período conocido como el bombardeo pesado tardío. Los planetas terrestres, como la Tierra, se habían formado principalmente en este punto, por lo que el evento no afectó significativamente su composición. Pero puede haber arrojado una bola curva a los científicos que intentan comprender cómo evolucionó el sistema solar. La interrupción podría haber arrojado objetos al sistema solar interno que no tenían conexión con los materiales que componen la mayor parte de los planetas terrestres, dice Walsh.
Lucy podría ayudar a los científicos a descubrir qué sucedió realmente y permitirles desenredar lo que se mezcló en dónde. Lograría esto investigando un grupo de asteroides encerrados en la órbita de Júpiter. Estos objetos, conocidos como los troyanos jovianos, son una mezcla de cuerpos que se formaron en todo el sistema solar exterior y luego fueron arrojados juntos durante la migración.
A mediados de la década de 2020, cuando la misión los alcanzaría, los troyanos estarán orientados en la configuración correcta para que una nave espacial realice un gran recorrido de seis cuerpos. "He estado adorando a los dioses de la mecánica celeste durante toda mi carrera", dice Levison, un dinámico planetario. "Decidieron devolverme el dinero, porque los planetas se están alineando literalmente".
Levison dice que estudiar de cerca a los troyanos les dará a los investigadores una idea más clara de cómo ocurrió la mezcla del modelo de Niza, y también podría proporcionar una prueba de acreción de guijarros. La hipótesis predice que cualquier cosa más pequeña que unas 60 millas de diámetro debería ser en realidad un fragmento de un cuerpo más grande. Es una predicción que Lucy debería poder probar.
Impresión artística de la superficie de Venus, donde las temperaturas son templadas de 870 grados Fahrenheit. (ESA / AOES Medialab) Juntas, estas misiones parecen preparadas para una mayor comprensión de los científicos de los orígenes de la Tierra, probablemente en formas que los investigadores ni siquiera pueden imaginar todavía. Después de todo, construir una imagen sólida de la formación planetaria requiere combinar datos de muchas fuentes diferentes, dice David Stevenson, un científico planetario de Caltech.
Sin embargo, todavía tenemos un largo camino por recorrer antes de comprender qué hace que la Tierra y Venus sean tan diferentes. "Es una vergüenza, casi, que aquí estamos, sentados en la Tierra, y tenemos este gran planeta más cercano al que somos tan ignorantes", dice Stevenson. "¡La razón por la que somos tan ignorantes es que hace muchísimo calor!"
De hecho, las condiciones infernales en la superficie de Venus han obstaculizado los esfuerzos para estudiar el planeta en detalle. Rusia logró aterrizar una serie de naves espaciales en la superficie entre los años 60 y 80. Solo sobrevivieron unas pocas horas y transmitieron breves destellos de datos antes de sucumbir al calor. Pero estas y otras misiones, como Pioneer y Magellan de la NASA, que estudiaron el planeta desde lejos, proporcionaron vislumbres del funcionamiento del planeta.
Sabemos, por ejemplo, que Venus tiene una atmósfera de invernadero intensa compuesta casi por completo de dióxido de carbono y que parece haber perdido la mayor parte de su agua superficial. Esto puede ser lo que impide que la tectónica de placas se produzca allí: se cree que el agua engrasa las ruedas de las placas de subducción. También puede explicar por qué Venus carece de un campo geomagnético, lo que muchos científicos consideran una necesidad para la vida porque protege al planeta de los estragos del viento solar. Los campos geomagnéticos se producen por convección en el núcleo de un cuerpo, dice Nimmo, y dependen de la circulación del manto, a menudo vinculada a la tectónica de placas, para transportar el calor.
Lo que los científicos quieren más que nada son muestras de las rocas de la superficie de Venus, pero ese sigue siendo un objetivo distante. En el futuro previsible, los investigadores tendrán que conformarse con observaciones más remotas, como las de una misión japonesa actual. A principios de este año, la nave espacial Akatsuki finalmente comenzó a transmitir datos de su órbita alrededor de Venus después de un desvío no planificado de cinco años alrededor del sol.
Además, la NASA está considerando otras dos misiones centradas en Venus que también son finalistas de Discovery. Un proyecto, llamado VERITAS, está dirigido por Smrekar e involucraría a un orbitador capaz de estudiar la geología del planeta en alta definición. La segunda misión propuesta, dirigida por Lori Glaze del Centro de Vuelo Espacial Goddard, analizaría la atmósfera única de Venus usando una sonda llamada DAVINCI.
La esperanza es que estos esfuerzos revelen por qué Venus evolucionó de la manera en que lo hizo y, por lo tanto, qué hace a la Tierra diferente. Por el momento, muchos investigadores piensan que la Tierra y Venus probablemente se formaron a partir del mismo material y luego divergieron con el tiempo gracias a varios factores. Estos incluyen su proximidad diferente al sol y el hecho de que la Tierra experimentó una colisión importante relativamente tarde en su historia, el impacto que formó la luna, que habría derretido gran parte del planeta y potencialmente alterado su dinámica.
Pero hasta que sepamos más sobre cómo se formaron los planetas en nuestro sistema solar y qué procesos moldearon su evolución, no sabremos qué diferencia a un planeta hospitalario de uno árido, dice Walsh. "Tenemos telescopios en el espacio que están cazando planetas del tamaño de la Tierra alrededor de otras estrellas, pero no tenemos idea de si un planeta evolucionará en Venus o en Tierra", dice. "Y ese es todo el juego de pelota, en algún nivel".
