La sustancia más antigua en la Tierra

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Uno de los hechos que más ha sorprendido a los científicos en las últimas décadas fue que el material sólido más antiguo jamás encontrado en nuestro planeta no se originó en la Tierra, sino fue traído por los meteoritos. Esta es una historia de dos meteoritos. Uno de ellos nos trajo material que se formó en el momento del nacimiento del Sistema Solar, mientras que el otro nos trajo sólidos que se formaron mucho antes. Ambos meteoritos cayeron a la Tierra en 1969. El primero iluminó el cielo nocturno y luego cayó al suelo cerca del pueblo mexicano de Allende el 8 de febrero a la 01:05 de la mañana, y recibió el nombre del Meteorito Allende. Este viajero espacial, que pesó dos toneladas, nos trajo rocas cuya edad los científicos determinaron en 4,567 millones de años. Estos son los sólidos más antiguos conocidos provenientes del Sistema Solar cuya edad se volvió la misma definición del momento de nacimiento del Sistema. Es por esta razón que el meteorito de Allende es el más estudiado de todo el mundo.

Solo siete meses después, el 28 de septiembre de 1969, otro meteorito cayó cerca de Murchison, Australia. Este cuerpo con una masa de cien kilogramos no llegó desde rincones distantes del Sistema Solar, sino desde el espacio interestelar. La edad de las partículas de carburo de silicio encontradas en él por los científicos se estimó en 7 mil millones de años, lo cual es 2.5 mil millones de años más que la edad del Sistema Solar.

Figura 1: Un fragmento del meteorito Allende. Fuente: Andersen y Haack (2005)

Vámonos primero a México. El meteorito Allende pertenece a los llamados condritos. Estos meteoritos rocosos representan alrededor del 80% de todos los meteoritos que caen sobre la superficie terrestre. Fueron creados cuando el Sol apenas se estaba formando. En aquel momento, había una nube de material a su alrededor, que los astrónomos llaman la nebulosa solar. Fuertes destellos y fenómenos similares a relámpagos ocurrían en ella, y en el plano ecuatorial del Sol naciente, esta nebulosa se condensó en un disco protoplanetario. La temperatura de este fue superior a 1300 K. Conforme el disco se estaba enfriando, el material en él empezó a condensarse. Los primeros sólidos que se formaron en él fueron granos o inclusiones ricas en aluminio y calcio.

A medida que la nebulosa solar y el disco protoplanetario se enfriaron aún más, los átomos y las moléculas empezaron a conglomerarse en granos de polvo. Durante los destellos y relámpagos, la temperatura de este material volvió a aumentar a más de 1000 K en el transcurso de unos pocos minutos. Esto sucedió muchas veces y provocó la fusión repetida de partículas de polvo y la formación de granos esféricos, que llamamos cóndrulos. Durante millones de años, tanto los cóndrulos así como las inclusiones se combinaron en asteroides. Algunos de ellos crecieron y llegaron a formar los planetesimales más grandes y después incluso planetas. Colisiones de planetesimales y otros procesos en los planetas destruyeron tanto las inclusiones como también los cóndrulos. Solo aquellos asteroides que lograron evitar estas colisiones conservaron en su interior los preciados granos, que hoy representan el único material que ha sobrevivido desde la formación del Sol hasta nuestros días.

La edad de los cóndrulos y las inclusiones se puede determinar con gran precisión a partir del contenido relativo de los isótopos estables de plomo ²⁰⁶Pb y ²⁰⁷Pb, que son productos de desintegración radiactiva de los isótopos de uranio ²³⁸U y ²³⁵U con senmividas de 4,500 millones de años y 704 millones de años, respectivamente. En 2012, mediciones precisas del contenido relativo de ambos isótopos de plomo permitieron a un grupo de científicos determinar la edad de los cóndrulos en varios meteoritos, incluido el meteorito de Allende, con un margen de error menor a medio millón de años. La edad calculada fue de 4567.32 millones de años. Dado que estos son los primeros sólidos que se crearon en el Sistema Solar, los astrónomos tomaron el momento de su formación como la definición del momento de nacimiento del Sistema Solar. En comparación, el material más antiguo descubierto en el pasado, que se formó poco después de la formación de la Tierra, son cristales de circón encontrados en Jack Hills en Australia. Su edad se estima en 4,400 millones de años. Por otro lado, las rocas terrestres más antiguas se encuentran en el norte de la provincia canadiense de Quebec y tienen 4,280 millones de años de edad.

Figura 2: Un fragmento del meteorito Murchison. Por Basilicofresc, Wikimedia Commons.

Por otro lado, el meteorito Murchison nos trajo rocas que se formaron en las cercanías de una estrella desconocida. La lógica para determinar la edad de estos sólidos es invertida en comparación con el meteorito de Allende. En el caso de Murchison, los científicos examinaron granos de carburo de silicio (SiC), que se sabe que se formaron en el período anterior al nacimiento del Sol. Estos granos se originaron en la vecindad de estrellas con una masa entre 1 y 8 veces la masa del Sol durante las últimas etapas de su desarrollo, cuando se inflaron y se convirtieron en gigantes rojas. Después de su formación, los granos de SiC fueron bombardeados continuamente por rayos cósmicos. Estas últimos son partículas pequeñas, como los protones, electrones y núcleos de helio, que tienen enormes energías y viajan por el espacio con velocidad parecida a la de la luz. Si uno de estos rayos cósmicos golpea un grano de carburo de silicio, los átomos originales pueden desintegrarse en elementos que no estaban presentes en los granos al momento de su formación, como por ejemplo el neón 21 (²¹Ne). Mayores concentraciones de estos elementos significan que los granos han estado expuestos a rayos cósmicos durante tiempos más prolongados, por lo que son un indicador de su edad.

En su artículo publicado en 2020, Heck y colaboradores estudiaron el contenido de ²¹Ne en granos de carburo de silicio encontrados en el meteorito Murchison. Estas concentraciones revelaron que los granos más antiguos se formaron entre 3.9 ± 1.6 y 3 ± 2 mil millones de años antes del nacimiento del Sol. Si tomamos el valor estimado más bajo como la edad de los granos más antiguos, obtenemos que estos granos tienen al menos 7 mil millones de años de edad.

De este modo, los granos microscópicos en los meteoritos no solo nos revelan la edad de estos viajeros, sino también nos cuentan otra historia importante – de que nosotros y todo lo que nos rodea estamos hechos del material producido por estrellas hace miles de millones de años.

Lecturas adicionales para los más curiosos

1. BÜHLER: . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-0348-6667-5 , pp. 130
2. Connelly, J. N.; Bizzarro, M.; Krot, A. N.; Nordlund, A.; Wielandt, D.; Ivanova, M. A. (2012). “The Absolute Chronology and Thermal Processing of Solids in the Solar Protoplanetary Disk”. Science. 338 (6107): 651–55. Bibcode:2012Sci…338..651C. doi:10.1126/science.1226919. PMID 23118187.
3. Ruzmaikina, T., Ip, W., 1994. Chondrule formation in radiative shock. Icarus 112, 430–447.
4. Compston, W., Pidgeon, R. Jack Hills, evidence of more very old detrital zircons in Western Australia. Nature 321, 766–769 (1986). https://doi.org/10.1038/321766a0
5. Mojzsis, S., Harrison, T. & Pidgeon, R. Oxygen-isotope evidence from ancient zircons for liquid water at the Earth’s surface 4,300 Myr ago. Nature 409, 178–181 (2001). https://doi-org.pbidi.unam.mx:2443/10.1038/35051557
6. Astrobiology at NASA, Earth’s Early Atmosphere: An Update, https://astrobiology.nasa.gov/news/earths-early-atmosphere-an-update/Bischoff, A.; Geiger, T. (1995). “Meteorites for the Sahara: Find locations, shock classification, degree of weathering and pairing”. Meteoritics. 30 (1): 113–122. Bibcode:1995Metic..30..113B. doi:10.1111/j.1945-5100.1995.tb01219.x. ISSN 0026-1114.
7. The Meteorological Society, https://www.lpi.usra.edu/meteor/metbull.php?code=16875
8. Gyngard Frank, Amari Sachiko, Zinner Ernst, Ott Ulrich (2009) Cosmic-Ray Exposure Ages of Large Presolar SiC Grains. Publications of the Astronomical Society of Australia 26, 278-283.
9. Heck PR, Greer J, Kööp L, Trappitsch R, Gyngard F, Busemann H, Maden C, Ávila JN, Davis AM, Wieler R. Lifetimes of interstellar dust from cosmic ray exposure ages of presolar silicon carbide. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Jan 28;117(4):1884-1889. doi: 10.1073/pnas.1904573117. Epub 2020 Jan 13. PMID: 31932423; PMCID: PMC6995017.
10. L. R. Nittler, F. Ciesla, Astrophysics with extraterrestrial materials. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 54, 53–93 (2016).