Una nueva teoría explica cómo llegó el agua a la Tierra

Cuando la Tierra se formó, hacía demasiado calor para retener hielo. Esto significa que toda el agua de nuestro planeta debe haberse originado a partir de fuentes extraterrestres. Los estudios de rocas terrestres antiguas sugieren que el agua líquida existía en la Tierra ya 100 millones de años después de la formación del sol, 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 del agua de la Tierra.

Mi equipo de investigación ha propuesto recientemente una nueva teoría para explicar cómo llegó el agua a la Tierra. Nuestro artículo se ha publicado en la revista Astronomy & Astrophysics.

Un misterio que lleva miles de millones de años gestándose

Los astrofísicos han estado lidiando con la cuestión de cómo llegó el agua a nuestro joven planeta durante décadas. 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 se desarrolló en la década de 1990 tras el análisis de la composición del agua de la Tierra y el descubrimiento del papel potencial de los cometas helados, lo que apuntaba a un origen extraterrestre. Los cometas, que son mezclas de hielo y roca formadas en los confines más lejanos del sistema solar, a veces son expulsados ​​hacia el sol. Cuando se calientan por el sol, desarrollan 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 meteoritos (pequeños fragmentos de estos cuerpos que han caído a la Tierra) ha proporcionado información 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 desplazó el foco de la investigación hacia estos asteroides.

Estudios recientes se han centrado en identificar los mecanismos celestes que podrían haber traído 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, enviándolos a toda velocidad hacia la Tierra. Tales eventos habrían requerido un complejo proceso de «billar gravitacional», lo que sugiere una historia tumultuosa del sistema solar.

Si bien es evidente que la formación planetaria implicó importantes convulsiones e impactos, es posible que el suministro de agua a la Tierra se produjera de una manera más natural y menos dramática.

Una hipótesis más sencilla

Partí de la hipótesis de que los asteroides emergen helados de su capullo de formación, también conocido como disco protoplanetario. Este capullo es un enorme disco 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 este capullo protector se disipa, 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 cero, el agua permanece en forma de vapor después de este proceso.

Luego se superpone un disco de vapor de agua al cinturón de asteroides que orbita alrededor del Sol. A medida que el hielo se sublima, el disco se llena de vapor, que se extiende hacia el interior, en dirección al Sol, debido a complejos procesos dinámicos. En el camino, este disco de vapor se encuentra con los planetas interiores, sumergiéndolos en una especie de «baño». En cierto modo, el disco «riega» los planetas terrestres: Marte, la Tierra, Venus y Mercurio. La mayor parte de esta captura de agua se produjo 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, lo que aumentó 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 desde el final del período de captura hasta hoy. 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 pasadas como presentes, están bien documentadas. Nuestro 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 se alinean con nuestro modelo. Además, el modelo explica las cantidades de agua presentes en el pasado en otros planetas, e incluso en la Luna.

Quizás se pregunten cómo llegué a esta nueva teoría. Se debe a 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 en 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.

La construcción del modelo

A partir de estos hallazgos, la idea inicial de la teoría comenzó a tomar forma. Además, los 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 las 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 respalda la premisa de que estos asteroides inicialmente eran helados, aunque la mayoría ha perdido su hielo desde entonces (excepto cuerpos más grandes como Ceres).

Una vez establecida la base del modelo, el siguiente paso fue desarrollar una simulación numérica para rastrear la desgasificación del hielo, la dispersión del vapor de agua y su captura final por los planetas. Durante estas simulaciones, rápidamente quedó claro que el modelo podía dar cuenta del suministro de agua de la Tierra. Investigaciones adicionales sobre las cantidades de agua en el pasado en Marte y otros planetas terrestres confirmaron que el modelo también era aplicable a ellos. Todo encajaba y los resultados estaban listos para su publicación.

Como investigadores, 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 nuestros cálculos, estos discos, aunque débiles, deberían ser detectables con ALMA. Nuestro equipo acaba de conseguir tiempo en ALMA para investigar sistemas específicos en busca de evidencias de ellos.

Es posible que estemos en el amanecer de una nueva era en la comprensión de los orígenes del agua de la Tierra.

Con información de Astronomy & Astrophysics