¿Qué sucedió antes, durante y después de la formación del sistema solar? El estudio del asteroide Ryugu tiene las respuestas


La misión Hayabusa2 de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) devolvió a la Tierra muestras de asteroides primitivos no contaminados. Un análisis exhaustivo de 16 partículas del asteroide Ryugu reveló muchas ideas sobre los procesos que operaron antes, durante y después de la formación del sistema solar, y algunas aún dan forma a la superficie del asteroide actual.

Los datos elementales e isotópicos revelaron que Ryugu contiene el material nebular presolar más primitivo (un antiguo disco de gas y polvo que rodea lo que se convertiría en el sol) hasta ahora identificado y que algunos materiales orgánicos pueden haber sido heredados antes de que se formara el sistema solar. Entre los materiales orgánicos identificados estaban los aminoácidos, que son los componentes básicos de las proteínas que se encuentran en todos los seres vivos de la Tierra. El descubrimiento de aminoácidos formadores de proteínas en muestras de asteroides no contaminadas indica que asteroides como Ryugu pueden haber sembrado la Tierra con las materias primas necesarias para el origen de la vida.

Además, las muestras de Ryugu proporcionaron evidencia tanto física como química de que Ryugu se originó a partir de un cuerpo helado grande (al menos varias decenas de km) en el sistema solar exterior, que experimentó una alteración acuosa (reacciones químicas complejas que involucran agua líquida). Luego, el cuerpo helado se rompió para producir un fragmento similar a un cometa (de varios kilómetros de tamaño). El fragmento evolucionó a través de la sublimación del hielo para producir el asteroide seco y poroso observado hoy. Posteriormente, la meteorización espacial, que involucra el bombardeo del asteroide por partículas del sol y estrellas distantes, alteró los materiales de la superficie, como la materia orgánica, para dar materiales con un albedo distinto (propiedades reflectantes), definiendo cómo aparece actualmente el asteroide.

La apariencia externa de varias partículas Ryugu representativas. Crédito: Nakamura, E. et al.

Los asteroides y los cometas representan el material que quedó después de la formación de los planetas que orbitan alrededor del sol. Dichos cuerpos se habrían formado inicialmente en un vasto disco de gas y polvo (protosolar nebular) alrededor de lo que eventualmente se convertiría en el sol (protosun) y, por lo tanto, pueden conservar pistas sobre los procesos que operaron durante este período del sistema solar.

La nebulosa protosolar habría estado girando más rápido hacia su centro y esto habría concentrado gran parte del material dentro de esta región. Luego, parte del material comenzó a caer sobre la superficie del protosol, aumentando su temperatura. La temperatura más alta del protosol habría llevado a una mayor producción de radiación, lo que podría haber causado la fotoevaporación (evaporación debida a la energía de la luz) del material dentro del sistema solar interior.

Más tarde, cuando el sistema solar interior se enfrió, se condensó nuevo material con composiciones distintas a las que había antes. Eventualmente, tales materiales se unirían para producir cuerpos grandes (planetesimales) que luego se romperían por colisiones, y algunos formarían asteroides de tipo S. Un asteroide de tipo S (Itokawa) fue el objetivo de la misión Hayabusa, predecesora de Hayabusa2. Las muestras que se devolvieron a la Tierra revelaron mucho sobre tales asteroides, incluida la forma en que sus superficies se ven afectadas por pequeños impactos continuos y confirmando las identificaciones realizadas a través de telescopios en la Tierra.

Haybusa2 apuntó a un tipo muy diferente de asteroide, el tipo C, que, a diferencia de los tipos S, conserva mucho más material primitivo del sistema solar exterior, que se vio mucho menos afectado por el calor del protosol. El telescopio inicial basado en la Tierra y la información de detección remota de la nave espacial Hayabusa2 sugirieron que Ryugu puede contener materia orgánica y pequeñas cantidades de agua (pegada a la superficie de los minerales o contenida dentro de su estructura).

Sin embargo, los asteroides de tipo C son increíblemente difíciles de estudiar con tales métodos, porque son muy oscuros y los datos resultantes tienen muy poca información que pueda usarse para identificar materiales específicos. Como tal, el retorno de la muestra representó un paso muy importante para mejorar nuestra comprensión de los asteroides de tipo C. Alrededor de 5,4 g de muestra se devolvieron a la Tierra en diciembre de 2020 y las muestras se estudiaron inicialmente en las instalaciones de curación de fase 1 de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) en Sagamihara, Japón. El análisis geoquímico completo se inició en junio de 2021 una vez que las muestras llegaron a las instalaciones de curación de fase 2 del Pheasant Memorial Laboratory (PML), Instituto de Materiales Planetarios, Universidad de Okayama, Japón.

Inicialmente, se obtuvo la información externa y física de las muestras, pero poco después se abrieron las partículas con un micrótomo equipado con un cuchillo de diamante. En el interior, las partículas revelaron texturas indicativas de congelación-descongelación y una masa de grano fino de diferentes minerales, con algunos componentes de grano más grueso dispersos por todas partes. La mayoría de los minerales eran silicatos hidratados llamados filosilicatos (arcilla), que se formaron a través de reacciones químicas entre minerales de silicato no hidratados y agua líquida (alteración acuosa). Junto con las texturas de congelación y descongelación, la evidencia indicó que las muestras habían experimentado agua tanto líquida como congelada en el pasado.

Se descubrió que la alteración acuosa alcanzó su punto máximo antes de ~ 2,6 Myr después de la formación del sistema solar, a través del análisis de manganeso y cromo dentro de minerales de magnetita (óxido de hierro) y dolomita (carbonato de calcio y magnesio). Esto significa que los materiales de Ryugu experimentaron agua líquida muy temprano en la historia del Sistema Solar y el calor que derritió el hielo habría sido suministrado por elementos radiactivos que solo sobreviven por un período de tiempo relativamente corto (casi todo desaparecería después de 5 millones de años ).

Después de que gran parte de los elementos radiactivos se hubieran desintegrado, el cuerpo se enfriaría y congelaría de nuevo. Ryugu también contiene isótopos de cromo, calcio y oxígeno que indican que conservó la fuente más primitiva de materiales de la nebulosa protosolar. Además, los materiales orgánicos de Ryugu registran firmas isotópicas primitivas que sugieren su formación dentro del medio interestelar (la región del espacio entre los sistemas solares) o la nebulosa protosolar exterior. Junto con la abundancia de agua y la falta de cualquier material o firma del sistema solar interno, los hallazgos anteriores sugieren que el material dentro de Ryugu se pegó (acrecentó) y se alteró acuosamente muy temprano en el sistema solar exterior.

Sin embargo, para formar agua líquida, a partir del calentamiento de un cuerpo rocoso helado por desintegración radiactiva, se requiere que el cuerpo tenga al menos varias decenas de km de tamaño. En consecuencia, Ryugu originalmente debe haber sido parte de un cuerpo mucho más grande, denominado planetesimal. Se cree que los planetesimales helados son la fuente de los cometas, que pueden formarse por su ruptura por colisión. Si el precursor planetesimal de Ryugu fuera impactado después de haberse vuelto a congelar, entonces se podría producir un cometa que conservara muchas de las texturas originales y las propiedades físicas y químicas del planetesimal.

Como cometa, el fragmento habría tenido que moverse del exterior al interior del sistema solar por alguna vía dinámica, involucrando las interacciones de los planetas. Una vez en el sistema solar interior, Ryugu habría sufrido una sublimación significativa (transición de hielo sólido a gas). El modelado en un estudio anterior indicó que la sublimación podría aumentar la velocidad a la que Ryugu gira y dar lugar a su distintiva forma de peonza. La sublimación también podría haber llevado a la formación de chorros de vapor de agua (como se ve en el cometa 67P) que habrían vuelto a depositar el material del subsuelo en la superficie y lo habrían congelado en su lugar.

Además, los chorros pueden explicar algunas diferencias interesantes entre los sitios de muestreo donde se obtuvieron las muestras de Ryugu. La misión Hayabusa2 tomó muestras de material de la superficie en el sitio de toma de contacto 1 (TD1) y, muy probablemente, material del subsuelo de un cráter de impacto artificial en el sitio de toma de contacto 2 (TD2). Algunas de las muestras de TD1 muestran un fraccionamiento elemental más allá de la escala de mm y abundancias dispersas de B y Be. Sin embargo, todas las muestras de TD2 registran abundancias elementales similares a las de las condritas CI (un tipo de meteorito con abundancias elementales similares al sol) y no muestran evidencia de fraccionamiento elemental en la escala milimétrica. Una explicación es que el sitio TD1 registra el material arrastrado en un chorro, llevado a la superficie del fragmento similar a un cometa desde muchas regiones distintas del subsuelo y, por lo tanto, representa una amplia variedad de composiciones. Mientras tanto, las muestras de TD2 pueden representar material procedente de una parte de Ryugu y, como tal, tienen una composición más uniforme.

Una descripción general de los procesos que llevaron a la formación y evolución del Ryugu actual. Crédito: Nakamura, E. et al.

Después de la sublimación completa del hielo en la superficie de Ryugu, se formó un asteroide rocoso de baja densidad y altamente poroso. Mientras cesaron los procesos relacionados con el agua, comenzó la meteorización espacial. La superficie de Ryugu fue bombardeada con el tiempo por grandes cantidades de partículas energéticas del viento solar y rayos cósmicos del sol y estrellas distantes. Las partículas modificaron los materiales en la superficie de Ryugu, causando que la materia orgánica se alterara en cuanto a su estructura. Los efectos de tal proceso fueron más evidentes en las partículas TD1 de la superficie de Ryugu en comparación con las de TD2, que probablemente habían salido a la superficie durante la creación de un cráter de impacto artificial. Como tal, la meteorización espacial es un proceso que todavía da forma a las superficies de los asteroides en la actualidad y seguirá haciéndolo en el futuro.

A pesar de los efectos de la meteorización espacial, que actúa alterando y destruyendo la información contenida en la materia orgánica, el análisis geoquímico integral de las muestras de Ryugu también detectó materiales orgánicos primitivos. Los aminoácidos, como los que se encuentran en las proteínas de todos los organismos vivos de la Tierra, se detectaron en una partícula de Ryugu. El descubrimiento de aminoácidos formadores de proteínas es importante porque Ryugu no ha estado expuesto a la biosfera de la Tierra, como los meteoritos, y como tal, su detección demuestra que al menos algunos de los componentes básicos de la vida en la Tierra podrían haberse formado en ambientes espaciales.

Las hipótesis sobre el origen de la vida, como las que involucran la actividad hidrotermal, requieren fuentes de aminoácidos, con meteoritos y asteroides como Ryugu que representan fuertes candidatos debido a su inventario de aminoácidos y porque dicho material habría sido entregado fácilmente a la superficie de la Tierra primitiva. Además, las características isotópicas de las muestras de Ryugu sugieren que el material similar a Ryugu podría haber suministrado agua a la Tierra, otro recurso esencial para el origen y el sostenimiento de la vida en la Tierra.

En conjunto, los hallazgos informados por el estudio brindan información invaluable sobre los procesos que han afectado al asteroide más primitivo muestreado por la humanidad. Tales ideas ya han comenzado a cambiar nuestra comprensión de los eventos que ocurrieron antes del sistema solar y hasta el día de hoy. El trabajo futuro en las muestras de Ryugu sin duda continuará avanzando en nuestro conocimiento del sistema solar y más allá.

La investigación fue publicada en Proceedings of the Japan Academy.

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