Trabajo de detective cósmico: Por qué las rocas espaciales son importantes

La historia completa de la existencia humana es un pequeño destello dentro de los 4 500 millones de años de historia de nuestro sistema solar. Entonces no había nadie que viera los planetas formándose y experimentando cambios dramáticos antes de asentarse en su configuración actual. Para comprender lo que vino antes que nosotros —antes de la vida en la Tierra y antes de la Tierra misma—, los científicos necesitan buscar pistas sobre ese misterioso pasado lejano.

Esas pistas vienen en forma de asteroides, cometas y otros objetos pequeños. Al igual que los detectives escudriñan las pruebas forenses, los científicos examinan cuidadosamente estos pequeños cuerpos celestes en busca de información sobre nuestros orígenes. Ellos cuentan de una época en la que innumerables meteoros y asteroides llovieron sobre los planetas, se quemaron en el Sol, salieron disparados más allá de la órbita de Neptuno o chocaron entre sí y se hicieron añicos en cuerpos más pequeños. Desde cometas distantes y helados hasta el asteroide que terminó con el reinado de los dinosaurios, cada roca espacial contiene pistas sobre eventos épicos que dieron forma al sistema solar tal como lo conocemos actualmente, incluida la vida en la Tierra.

Las misiones de la NASA para estudiar estos “no planetas” nos ayudan a comprender cómo se formaron los planetas, incluida la Tierra, a identificar los peligros de los objetos que se aproximan y a pensar en el futuro de la exploración. Han desempeñado un papel clave en la historia de nuestro sistema solar y reflejan cómo continúa cambiando hoy en día.

“Puede que no tengan volcanes gigantes, océanos globales o tormentas de polvo, pero los mundos pequeños podrían responder las grandes preguntas que tenemos sobre los orígenes de nuestro sistema solar”, dijo Lori Glaze, directora interina de la División de Ciencias Planetarias en la sede de la NASA en Washington.

La NASA tiene una larga historia de exploración de cuerpos celestes pequeños, comenzando con el sobrevuelo del asteroide Gaspra hecho por la sonda Galileo en 1991. La primera nave espacial en orbitar un asteroide, llamada Near Earth Asteroid Rendezvous (NEAR) Shoemaker, (Encuentro con asteroide cercano a la Tierra) también aterrizó con éxito en el asteroide Eros en el año 2000 y tomó mediciones que originalmente no se habían planeado. La misión Deep Impact (Impacto Profundo) condujo una sonda al cometa Tempel 1 en 2005 y llevó a los científicos a reconsiderar dónde se formaron los cometas. Los esfuerzos más recientes se han basado en esos logros y continuarán enseñándonos más sobre nuestro sistema solar. Esta es una descripción general de lo que podemos aprender:

Los componentes básicos de los planetas

Nuestro sistema solar, tal como lo conocemos actualmente, se formó a partir de granos de polvo —pequeñas partículas de roca, metal y hielo— que se arremolinaron en un disco alrededor de nuestro Sol recién nacido. La mayor parte del material de este disco cayó en la nueva estrella, pero algunos trozos evitaron ese destino y se unieron, convirtiéndose en asteroides, cometas e incluso planetas. Muchos residuos de ese proceso han sobrevivido hasta el día de hoy. El desarrollo de planetas a partir de objetos más pequeños es una parte de nuestra historia que los asteroides y cometas pueden ayudarnos a investigar.

“Los asteroides, los cometas y otros cuerpos pequeños contienen material del nacimiento del sistema solar. Si queremos saber de dónde venimos, debemos estudiar estos objetos”, dijo Glaze.

Dos fósiles antiguos que dan pistas sobre esta historia son Vesta y Ceres, los cuerpos más grandes en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter. La nave espacial Dawn de la NASA, que terminó su misión en 2018, orbitó a ambos y demostró definitivamente que no forman parte del “club de asteroides” habitual. Si bien muchos asteroides son conjuntos sueltos de escombros, el interior de Vesta y Ceres tiene capas, con el material más denso en sus núcleos. (En términos científicos, se dice que sus interiores están “diferenciados”). Esto indica que ambos cuerpos estaban en camino de convertirse en planetas, pero su crecimiento quedó atrofiado: nunca tuvieron suficiente material para llegar a ser tan grandes como los planetas principales.

Pero mientras que Vesta está en gran parte seco, Ceres contiene humedad. Puede tener hasta un 25% de agua, en su mayoría unida a minerales o hielo, y existe la posibilidad de que haya líquido subterráneo. La presencia de amoníaco en Ceres también es interesante, porque generalmente requiere temperaturas más frías que la ubicación actual de Ceres. Esto indica que el planeta enano podría haberse formado más allá de Júpiter y migrado, o al menos habría incorporado materiales que se originaron más allá del Sol. El misterio de los orígenes de Ceres muestra lo compleja que puede ser la formación planetaria y subraya la complicada historia de nuestro sistema solar.

Aunque podemos estudiar indirectamente el interior profundo de los planetas en busca de pistas sobre sus orígenes, como la misión InSight de la NASA lo está haciendo en Marte, es imposible taladrar hasta el núcleo de cualquier objeto de tamaño considerable en el espacio, incluida la Tierra. Sin embargo, un objeto raro llamado Psyche puede ofrecer la oportunidad de explorar el núcleo de un cuerpo parecido a un planeta sin necesidad de excavar. El asteroide Psyche parece ser el núcleo de hierro-níquel expuesto de un protoplaneta, un pequeño mundo que se formó al principio de la historia de nuestro sistema solar pero que nunca alcanzó un tamaño planetario. Al igual que Vesta y Ceres, Psyche vio interrumpido su camino para convertirse en un planeta. La misión Psyche de la NASA, que será lanzada en 2022, ayudará a contar la historia de la formación de los planetas al estudiar en detalle este objeto metálico.

Mucho más lejos en el espacio, la nave espacial New Horizons de la NASA se encontró en 2019 con un objeto distante llamado 2014 MU69, apodado “Ultima Thule” por la misión. A 1 600 millones de kilómetros (mil millones de millas) más lejos del Sol que Plutón, MU69 es un residente del cinturón de Kuiper, una región de objetos ricos en hielo más allá de la órbita de Neptuno. Objetos como MU69 podrían representar el material más primitivo, o inalterado, que queda en el sistema solar. Mientras que los planetas orbitan en elipses alrededor del Sol, MU69 y muchos otros objetos del cinturón de Kuiper tienen órbitas muy circulares, lo que sugiere que no se han movido de sus trayectorias originales en 4 500 millones de años. Estos objetos podrían representar los componentes básicos de Plutón y otros mundos helados distantes como este. New Horizons realizó su acercamiento más cercano a MU69 el 1 de enero de 2019, con el sobrevuelo planetario más lejano de la historia.

“Ultima Thule es increíblemente valioso científicamente para comprender el origen de nuestro sistema solar y sus planetas”, dijo Alan Stern, investigador principal de New Horizons, con sede en el Instituto de Investigación del Sudoeste en Boulder, Colorado. “Es antiguo e inmaculado, y no se parece a nada que hayamos visto antes”.

Transporte de los elementos de la vida

Los mundos pequeños también son probablemente responsables de sembrar la Tierra con los ingredientes para la vida. El estudio de la cantidad de agua que tienen es evidencia de cómo ayudaron a sembrar la vida en la Tierra.

“Los cuerpos pequeños marcan un antes y un después. Participan en la evolución lenta y constante de nuestro sistema solar a lo largo del tiempo e influyen en las atmósferas planetarias y las oportunidades de vida. La Tierra es parte de esa historia”, dijo el director científico de la NASA, Jim Green.

Un ejemplo de un asteroide que contiene los componentes básicos de la vida es Bennu, el objetivo de la misión OSIRIS-REx (por las siglas en inglés de Orígenes, Interpretación Espectral, Identificación de Recursos, Seguridad y Explorador de Regolitos) de la NASA. Bennu podría estar cargado de moléculas de carbono y agua, las cuales son necesarias para la vida tal como la conocemos. A medida que se formó la Tierra, y más adelante, llovieron objetos como Bennu y transportaron estos materiales a nuestro planeta. Estos objetos no tenían océanos en sí mismos, sino moléculas de agua unidas a minerales. Se cree que hasta el 80% del agua de la Tierra proviene de cuerpos pequeños como Bennu. Al estudiar a Bennu, podemos comprender mejor los tipos de objetos que permitieron que una Tierra joven y estéril floreciera con vida.

Bennu probablemente se originó en el cinturón principal de asteroides entre Marte y Júpiter, y se cree que sobrevivió a una colisión catastrófica que ocurrió entre 800 millones y 2 000 millones de años atrás. Los científicos piensan que un gran asteroide rico en carbono se hizo añicos en miles de pedazos, y Bennu es uno de los restos. En lugar de ser un objeto sólido, se cree que Bennu es un asteroide de tipo “pila de escombros”, un conjunto suelto de rocas unidas por la gravedad y otra fuerza que los científicos llaman “cohesión”. OSIRIS-REx, que llegó a Bennu a principios de diciembre de 2018, después de un viaje de unos 2 000 millones de kilómetros (1 200 millones de millas), emprendió su regreso a la Tierra en mayo de 2021 y viene en camino con una muestra de este intrigante objeto en una cápsula. Cuando la nave espacial se acerque a la Tierra en 2023, arrojará la cápsula de retorno de muestra (SRC, por sus siglas en inglés).

La misión japonesa Hayabusa-2 también observó un asteroide de la misma familia de cuerpos que se cree que transportaron los ingredientes para la vida en la Tierra. La misión recolectó muestras del asteroide Ryugu y en diciembre de 2020 las devolvió en una cápsula a la Tierra para su análisis. Aprenderemos mucho comparando a Bennu y Ryugu, y entendiendo las semejanzas y diferencias entre sus muestras.

Rastreadores de la evolución del sistema solar

La mayor parte del material que formó nuestro sistema solar, incluida la Tierra, no vivió para contarlo. Cayó dentro del Sol o fue expulsada más allá del alcance de nuestros telescopios más poderosos. Solamente una pequeña fracción formó los planetas. Pero hay algunos restos rebeldes de los primeros tiempos, cuando la materia de los planetas giraba con un destino incierto alrededor del Sol.

Un período particularmente catastrófico para el sistema solar ocurrió entre 50 y 500 millones de años después de la formación del Sol. Júpiter y Saturno, los gigantes más masivos de nuestro sistema, reorganizaron los objetos a su alrededor a medida que su gravedad interactuaba con mundos más pequeños como los asteroides. Urano y Neptuno podrían haberse originado más cerca del Sol y habrían sido expulsados hacia afuera a medida que Júpiter y Saturno se movían. Saturno, de hecho, pudo haber evitado que Júpiter “se comiera” algunos de los planetas terrestres, incluida la Tierra, ya que su gravedad contrarrestó el movimiento adicional de Júpiter hacia el Sol.

Enjambres de asteroides llamados troyanos podrían ayudar a aclarar los detalles de ese período turbulento. Los troyanos comprenden dos grupos de pequeños cuerpos que comparten la órbita de Júpiter alrededor del Sol, con un grupo que va delante de Júpiter y otro detrás. Pero algunos troyanos parecen estar hechos de materiales diferentes a los demás, como lo indican sus colores variados. Algunos son mucho más rojos que otros y podrían haberse originado más allá de la órbita de Neptuno, mientras que los más grises podrían haberse formado mucho más cerca del Sol. La teoría principal es que cuando Júpiter se movió hace mucho tiempo, estos objetos fueron acorralados en puntos de Lagrange, lugares donde la gravedad de Júpiter y el Sol crean áreas de retención donde los asteroides pueden ser capturados. La diversidad de los troyanos, dicen los científicos, refleja el viaje de Júpiter hasta su ubicación actual. “Son los restos de lo que estaba sucediendo la última vez que Júpiter se movió”, dijo Hal Levison, investigador del Instituto de Investigación del Sudoeste.

La misión Lucy de la NASA, que será lanzada el 16 de octubre de 2021, enviará por primera vez una nave espacial a los troyanos, para investigar a fondo siete troyanos. Para Levison, el investigador principal de la misión, la nave espacial pondrá a prueba ideas en las que él y sus colegas han estado trabajando durante décadas sobre el efecto de Júpiter en la reconfiguración del sistema solar. “Lo que realmente sería interesante es lo que no esperamos”, dijo.

Los procesos de un sistema solar en evolución

Después de la puesta del Sol, en las condiciones adecuadas, es posible observar la luz solar dispersa en el plano de la eclíptica, la región del cielo donde orbitan los planetas. Esto se debe a que la luz solar es dispersada por el polvo que queda de las colisiones de cuerpos pequeños como cometas y asteroides. Los científicos llaman a este fenómeno “luz zodiacal” y es una indicación de que nuestro sistema solar todavía está activo. El polvo zodiacal alrededor de otras estrellas indica que también podrían albergar sistemas planetarios activos.

El polvo de los cuerpos celestes pequeños ha tenido un papel particularmente importante en nuestro planeta. Alrededor de 100 toneladas de material meteorítico y polvo caen sobre la Tierra todos los días. Parte de esto proviene de los cometas, cuya actividad tiene implicaciones directas para la evolución de la Tierra. A medida que los cometas se acercan al Sol y experimentan su calor, los gases dentro de los cometas burbujean y se llevan el material polvoriento del cometa, incluidos los ingredientes para la vida. La nave espacial Stardust de la NASA sobrevoló el cometa 81P/Wild y descubrió que el polvo cometario contiene aminoácidos, que son los componentes básicos de la vida.

Los estallidos ocasionales de gas y polvo observados en los cometas indican actividad en su superficie, como deslizamientos de tierra, o cerca de ella. La misión Rosetta de la Agencia Espacial Europea, que completó su exploración del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko en 2016, proporcionó información sin precedentes sobre la actividad cometaria. Entre los cambios en el cometa, la nave espacial observó el colapso masivo de un acantilado: una gran grieta se hizo más grande y una roca se movió. “Descubrimos que rocas del tamaño de un camión grande podían moverse a través de la superficie del cometa a una distancia tan larga como un campo y medio de fútbol”, dijo en 2017 Ramy El-Maarry, miembro del equipo científico estadounidense de Rosetta en la Universidad de Colorado en Boulder.

Los cometas también influyen en el movimiento planetario actual. A medida que Júpiter continúa arrojando cometas hacia afuera, se mueve hacia adentro muy levemente debido a la danza gravitatoria con los cuerpos helados. Mientras tanto, Neptuno arroja cometas hacia adentro y, a su vez, recibe un pequeño empujón hacia afuera. Urano y Saturno también se mueven hacia afuera muy lentamente en este proceso.

“En este momento estamos hablando de una cantidad mínima de movimientos porque no queda mucha masa”, dijo Levison.

Dato curioso: La nave espacial que ha visto más cometas es el Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO, por sus siglas en inglés) de la NASA, mejor conocido por su estudio del Sol. SOHO ha visto al Sol “comerse” a miles de cometas, lo que significa que estos pequeños mundos estuvieron rociando material en la parte interior del sistema solar en su viaje para convertirse en la cena del Sol.

Peligros para la Tierra

Los asteroides aún pueden representar un peligro de impacto para los planetas, incluido el nuestro.

Mientras que los troyanos están atrapados siguiendo a Júpiter, Bennu, el objetivo de la misión OSIRIS-REx, es uno de los asteroides más potencialmente peligrosos para la Tierra que se conocen actualmente, a pesar de que sus probabilidades de colisionar con la Tierra aún son relativamente pequeñas. Los científicos estiman que Bennu tiene una probabilidad de 1 entre 2 700 de impactar nuestro planeta durante uno de sus acercamientos cercanos a la Tierra a finales del siglo XXII. En este momento, los científicos pueden predecir el camino de Bennu con bastante precisión hasta el año 2135, cuando el asteroide hará uno de sus pases cercanos a la Tierra. Las observaciones detalladas de OSIRIS-REx controlarán aún más el viaje de Bennu y ayudarán a los científicos que trabajan para salvaguardar nuestro planeta contra asteroides peligrosos a comprender mejor lo que se necesitaría para desviar uno en una trayectoria de impacto.

“Estamos desarrollando muchas tecnologías para operar con precisión alrededor de este tipo de cuerpos y apuntar a ubicaciones en sus superficies, además de caracterizar sus propiedades físicas y químicas generales. Esta información sería necesaria si quisiéramos diseñar una misión de desvío de asteroides”, dijo Dante Lauretta, investigador principal de la misión OSIRIS-REx, con sede en la Universidad de Arizona en Tucson.

Otra misión próxima que pondrá a prueba una técnica para defender el planeta de los peligros de impacto que ocurren naturalmente es la misión Prueba de redireccionamiento del asteroide doble (DART, por sus siglas en inglés) de la NASA, que intentará cambiar el movimiento de un pequeño asteroide. ¿De qué manera? Por impacto cinético: en otras palabras, estrellando algo con él, pero de una manera más precisa y controlada que la naturaleza.

El objetivo de DART es Dídimo, un asteroide binario compuesto por dos objetos que se orbitan entre sí. El cuerpo más grande tiene aproximadamente 800 metros (media milla) de ancho, con una pequeña luna de menos de 150 metros (una décima de milla) de ancho. Un asteroide de este tamaño podría provocar un daño regional generalizado si llegara a impactar la Tierra. DART se estrellará deliberadamente contra la luna pequeña para cambiar ligeramente la velocidad orbital del objeto pequeño. Los telescopios en la Tierra medirán este cambio en la velocidad observando el nuevo período de tiempo que le toma a la luna completar una órbita alrededor del cuerpo principal, que se espera sea un cambio de menos de una fracción del 1%. Pero incluso ese pequeño cambio podría ser suficiente para hacer que un objeto colisionador previsto no impacte en la Tierra en un escenario de impacto futuro. El lanzamiento de la nave espacial, que está siendo construida por el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, está programado para el 23 de noviembre de 2021.

Dídimo y Bennu son solo dos de los casi 19 000 asteroides cercanos a la Tierra que se conocen. Existen más de 8 300 asteroides cercanos a la Tierra conocidos del tamaño de la pequeña luna de Dídimo y más grandes, pero los científicos estiman que existen alrededor de 25 000 asteroides en ese rango de tamaño en el espacio cercano a la Tierra. El telescopio espacial que ayuda a los científicos a descubrir y comprender este tipo de objetos, incluidos los peligros potenciales, se llama NEOWISE (por las siglas en inglés de Explorador de inspección de infrarrojos de campo amplio de objetos cercanos a la Tierra).

“Para la mayoría de los asteroides, sabemos poco sobre ellos, excepto por su órbita y lo brillantes que se ven. Con NEOWISE, podemos usar el calor emitido por los objetos para tener una mejor evaluación de su tamaño”, dijo Amy Mainzer, investigadora principal de NEOWISE, con sede en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. “Eso es importante porque los impactos de asteroides pueden tener repercusiones importantes y la cantidad de energía depende en gran medida del tamaño del objeto”.

Mundos pequeños como paradas de reabastecimiento y recursos para exploraciones futuras

Todavía no hay estaciones de servicio en el espacio, pero los científicos e ingenieros ya están empezando a pensar en cómo los asteroides podrían algún día servir como estaciones de reabastecimiento para naves espaciales en camino a destinos lejanos. Estos pequeños mundos también podrían ayudar a los astronautas a reabastecer sus suministros. Por ejemplo, Bennu probablemente tiene agua unida a minerales de arcilla, que tal vez algún día podrían cosecharse para hidratar a los viajeros espaciales sedientos.

“Además de la ciencia, el futuro será, de hecho, la minería”, dijo Green. “Los materiales en el espacio se utilizarán en el espacio para extender la exploración”.

¿Cómo llegaron los metales a los asteroides? A medida que se formaban, los asteroides y otros mundos pequeños recolectaron elementos pesados forjados hace miles de millones de años. El hierro y el níquel que se encuentran en los asteroides fueron producidos por generaciones anteriores de estrellas y se incorporaron en la formación de nuestro sistema solar.

Estos pequeños cuerpos también contienen metales más pesados forjados en explosiones estelares llamadas supernovas. La muerte violenta de una estrella, que puede conducir a la creación de un agujero negro, propaga por todo el universo elementos más pesados que el hidrógeno y el helio. Estos son metales como el oro, la plata y el platino, así como oxígeno, carbono y otros elementos que necesitamos para sobrevivir. Otro tipo de cataclismo —la colisión de restos de supernova llamados estrellas de neutrones— también puede crear y propagar metales pesados. De esta manera, los cuerpos pequeños también son evidencia forense de las explosiones o colisiones de estrellas muertas hace mucho tiempo.

Debido a las cosas grandes, ahora tenemos muchas cosas muy pequeñas. Y de las cosas pequeñas, obtenemos grandes pistas sobre nuestro pasado, y posiblemente recursos para nuestro futuro. Explorar estos objetos es importante, incluso si no son planetas.

Después de todo, son mundos pequeños.

Por Elizabeth Landau

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