La Tierra y la Luna forman un conjunto único en el Sistema Solar. La masa de nuestro planeta es solo 81 veces mayor a la de nuestro satélite, y su radio es tan solo 4 veces mayor. Para todos los demás planetas con lunas, estos números son muchísimo más grandes. Por otro lado, los dos cuerpos tienen estructuras muy diferentes. En el centro de la Luna se encuentra un pequeño núcleo compuesto principalmente de hierro, cuya masa y radio representan apenas el 1% y el 20 % del valor total de este astro. En la Tierra, estos valores son el 50% y el 30%. Debido a un núcleo tan pequeño, la densidad media de la Luna es de solo 3.6 g/cm3, mientras que en caso de la Tierra este valor es mucho mayor, 5.5 g/cm3.
Ambos cuerpos tienen otra característica peculiar, su gran momento angular. Esta es una propiedad de los cuerpos que giran alrededor de su propio eje u orbitan alrededor de otro cuerpo. Si sumamos el momento angular de los dos astros, obtenemos un valor inusualmente alto. Esto indica, que en el momento en que se formó la Luna, nuestro planeta giraba bastante rápido. Los científicos también pudieron deducir que cuando se formó, la Luna estaba al menos parcialmente fundida y cubierta por un profundo océano de magma.
Estos hechos llevaron a los astrónomos a discutir el origen de nuestro satélite natural. Antes del programa Apollo existían muchas hipótesis, sin embargo su número se redujo a raíz de que los astronautas aterrizaron en su superficie y regresaron con las muestras de las rocas lunares.
Figura 1: Luna llena. Fuente: NASA.
Probablemente, por su sencillez, la propuesta más atractiva sea que la Luna y la Tierra se formaron simultáneamente por el colapso gravitacional del material en el disco protoplanetario que rodeaba al Sol naciente hace 4,600 millones de años. El problema de esta hipótesis es que si ambos cuerpos se hubieran formado simultáneamente como resultado de un proceso idéntico y a la misma distancia del Sol, hubieran tenido la misma estructura y la densidad media.
Una hipótesis alternativa sobre la formación de la Luna fue propuesta en 1879 por el científico Sir George Darwin, astrónomo inglés e hijo del más conocido Charles Darwin. Esta es la llamada hipótesis de la fisión, según la cual la muy joven proto-Tierra giraba extremadamente rápido, lo que resultó en una gran fuerza centrífuga en su ecuador. La magnitud de esta fuerza debió haber sido solo un poco menor de la atracción gravitacional. Darwin propuso que otras fuerzas, llamadas las fuerzas de marea que el Sol ejercía sobre la Tierra naciente, causaron que una parte de la superficie terrestre se separara del resto del planeta y comenzara a orbitarlo. Basándose en la hipótesis de Darwin, el geólogo Osmond Fisher propuso en 1889 que como resultado de esta división se formó la cuenca donde hoy en día se encuentra el Océano Pacífico. Esta hipótesis fue refutada más tarde, debido a que los cálculos mostraron que el gran momento angular de la Tierra y la Luna ya mencionado no es suficiente para tal escenario.
La tercera hipótesis proponía que la Tierra y la Luna se formaron en lugares del Sistema Solar muy diferentes pero que en su momento la Luna se acercó mucho a nuestro planeta y quedó atrapada en una órbita a su alrededor. El principal problema con esta hipótesis es que tal captura es extremadamente improbable, debido a que encuentros similares con mucha más probabilidad terminan en una colisión. Otro problema es el hecho de que la composición química de la corteza de la Luna y de la Tierra son muy similares, lo cual sería imposible si los dos cuerpos se formaran en lugares muy diferentes del Sistema Solar.
Hoy en día, la mayoría de los científicos se inclina hacia un cuarto escenario – que la Luna se formó como resultado de una colisión entre la Tierra y otro cuerpo planetario. Esta hipótesis fue propuesta por primera vez por el geólogo canadiense Reginald Aldworth Daly en 1946, sin embargo la comunidad científica no la tomó en serio hasta la década de 1970. El punto de inflexión se produjo en 1974, cuando los astrónomos estadounidenses William Kenneth Hartmann y Donald R. Davis revivieron esta hipótesis en su publicación donde demostraron que el Sistema Solar primitivo estaba poblado por muchos cuerpos rocosos con diámetros entre 100 y 3,000 kilómetros. Uno de estos debió haber golpeado la Tierra en el período comprendido entre 10 y 100 millones de años después de la formación del Sistema Solar. Los científicos calcularon que si el radio de este cuerpo fuera de 1,200 kilómetros, y su velocidad relativa a la Tierra de 13 kilómetros por segundo, la colisión resultaría en la expulsión de grandes cantidades de masa terrestre al espacio cercano al nuestro planeta. Este material procedería principalmente de la corteza terrestre y de las capas superiores del manto, lo que explicaría las pequeñas cantidades de hierro en la Luna. Según Hartmann y Davis, después del impacto se creó una nube de material alrededor de nuestro planeta, que eventualmente se condensó en la Luna.
Esta hipótesis es conocida como la hipótesis de gran impacto y ha sufrido muchos cambios a lo largo de los años. Los científicos nombraron el cuerpo hipotético, que se supone que chocó contra la Tierra, Teia, en honor a uno de los titanes, la madre de Selene, la diosa griega de la Luna. Hoy en día, los científicos creen que Teia era mucho más grande que las estimaciones originales, y que su tamaño fue similar al de Marte. Se estima que se estrelló contra la Tierra a una velocidad de entre 11 y 15 kilómetros por segundo, lo que liberó suficiente energía como para que la mayor parte del material rocoso de la corteza y del manto terrestre simplemente se evaporara. Los vapores, con una temperatura entre 2000 y 4000 K, fueron transportados hasta una distancia de 130,000 kilómetros. Después, parte de este materia volvió a caer a la Tierra mientras que la otra parte formó un nuevo cuerpo celeste que hoy en día llamamos la Luna.
Figura 2: Simulación numérica de la colisión de Teia con la Tierra. Fuente: Jacob Kegerreis.
La mayoría de las estimaciones de la duración del período en el que la Luna se habría formado debido al gran impacto varían entre varias decenas y unos pocos cientos de años. Sin embargo, una investigación reciente propone períodos de tiempo mucho más cortos.
Un grupo de científicos liderado por Jacob Kegerreis de la Universidad de Durham en Gran Bretaña publicó los resultados de su última investigación, en la que simularon la formación de la Luna utilizando las simulaciones numéricas más precisas hasta la fecha. Las simulaciones mostraron la posibilidad de que la Luna se formara prácticamente inmediatamente después del gran impacto. Esta formación podría tomar tan solo unas pocas horas, y el resultado final sería un cuerpo cuya masa y contenido de hierro serían similares a los de nuestro satélite. Estos resultados fueron publicados en la prestigiosa revista científica The Astrophysical Journal en octubre del 2022.
Si las investigaciones futuras confirman el escenario extremadamente rápido de la formación de la Luna, esto contribuirá significativamente a la comprensión de la evolución de la Tierra y la vida en ella.
Lecturas complementarias para los más curiosos
- Wise, D. U., »Origin of the Moon by Fission«, publicado en The Earth-Moon System; proceedings of an international conference held January 20-21, 1964. Urednika B. G. Marsden and A. G. W. Cameron. Library of Congress Catalog Card No. 65-26632; QB631 .M364 c.2. Published by Plenum Press, New York, NY USA, 1966, p.213
- Inside the Moon, NASA Science, https://moon.nasa.gov/inside-and-out/what-is-inside-the-moon/
- Lognonné, P, Johnson, C. L., Planetary Seismology, Treatise on Geophysics, 2nd Edition, Edited by Gerald Schubert. ISBN: 978-0-444-53803-1, Elsevier, 2015, p.65-120, 2015.
- Ringwood, A. E., Origin of the Moon: The precipitation hypothesis, Earth and Planetary Science Letters, Volume 8, Issue 2, p. 131-140, 1970
- Hartmann, W. K. and Davis, D. R., “Satellite-Sized Planetesimals and Lunar Origin”, Icarus, vol. 24, no. 4, pp. 504–515, 1975. doi:10.1016/0019-1035(75)90070-6.
- Cameron, A. G. W. and Ward, W. R., “The Origin of the Moon”, vol. 7, p. 120, 1976.
- Cameron, A. G. W., “The Origin of the Moon and the Single Impact Hypothesis V”, Icarus, vol. 126, no. 1, pp. 126–137, 1997. doi:10.1006/icar.1996.5642.
- Canup, R. M., “Origin of the Moon”, arXiv e-prints, 2021.
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