Científicos recrean el viaje de un grano de polvo desde el origen del Sistema Solar

Expertos de la Universidad de Arizona en EEUU reconstruyeron un recorrido de 4.500 millones de años para brindar información sobre cómo fue la formación de los sistemas planetarios

Ilustración artística del sistema solar temprano, en un momento en el que aún no se habían formado planetas. Una nube arremolinada de gas y polvo rodeaba al joven sol. El corte a través de este llamado disco protoplanetario muestra su estructura tridimensional (Universidad de Arizona)
Ilustración artística del sistema solar temprano, en un momento en el que aún no se habían formado planetas. Una nube arremolinada de gas y polvo rodeaba al joven sol. El corte a través de este llamado disco protoplanetario muestra su estructura tridimensional (Universidad de Arizona)

En el tiempo del nacimiento de nuestro Sistema Solar, hace unos 4500 millones de años, nuestro Sol no era la actual bola de fuego ardiente que conocemos hoy, sino un disco giratorio de gas y polvo conocido como disco protoplanetario o nebulosa solar que comenzaba a formarse y formar los planetas que iban a girar a su alrededor.

Para llevarnos a un viaje en el tiempo sin precedentes a ese prístino ambiente, un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Arizona logró reconstruir con un detalle sin precedentes la historia de un grano de polvo formado en ese único momento, en un intento de brindar información sobre los procesos fundamentales que subyacen a la formación de sistemas planetarios, muchos de los cuales aún están envueltos en un misterio.

Para realizar la investigación, los científicos desarrollaron su trabajo en el que combinaron la mecánica cuántica y la termodinámica, para simular las condiciones a las que estuvo expuesto el grano durante su formación. La comparación de las predicciones del modelo con un análisis extremadamente detallado de la composición química y la estructura cristalina de la muestra, junto con un modelo de cómo se transportaba la materia en la nebulosa solar, reveló pistas sobre el viaje del grano y las condiciones ambientales que le dieron forma a lo largo del camino.

Esta pieza del meteorito de Allende muestra la típica corteza de material que se derritió durante la entrada a la atmósfera terrestre. El grano estudiado en este estudio se tomó de una pieza similar y de las profundidades del espécimen, donde se produciría poca o ninguna alteración durante la caída del meteorito (Universidad de Arizona)
Esta pieza del meteorito de Allende muestra la típica corteza de material que se derritió durante la entrada a la atmósfera terrestre. El grano estudiado en este estudio se tomó de una pieza similar y de las profundidades del espécimen, donde se produciría poca o ninguna alteración durante la caída del meteorito (Universidad de Arizona)

“Nuestro sistema solar comenzó como un disco giratorio de gas y polvo hace 4.567 millones de años. Comprender el paisaje termodinámico y la evolución de este disco sigue siendo un gran desafío en la ciencia planetaria, ya que fue dentro de esta nube donde se determinaron las propiedades de los materiales a partir de los cuales se formaron los planetas. Tal comprensión requiere un modelo cuantitativo robusto que incluya información detallada sobre las presiones y temperaturas contenidas dentro del disco y cómo variaron con el tiempo y la ubicación. Las limitaciones importantes sobre tales parámetros provienen de sondear los materiales dentro de los meteoritos porque encerrado en sus estructuras de escala micro y atómica hay un registro de sus historias de formación, que fueron controladas por el conjunto colectivo de entornos a los que estaban expuestos”, explicaron los expertos a cargo de la investigación.

El grano en cuestión analizado en el estudio, es una de varias inclusiones conocidas como inclusiones ricas en calcio-aluminio, o CAI, descubiertas en una muestra del meteorito Allende, que cayó sobre el estado mexicano de Chihuahua en 1969. Los CAI son de especial interés porque se cree que están entre los primeros sólidos que se formaron en el sistema solar hace más de 4.500 millones de años. De manera similar a cómo los sellos en un pasaporte cuentan una historia sobre el viaje de un viajero y las paradas en el camino, las estructuras de escala micro y atómica de las muestras evidencian un registro de sus historias de formación, que fueron controladas por los entornos colectivos a los que fueron expuestos.

“Hasta donde sabemos, nuestro artículo es el primero en contar una historia de origen que ofrece pistas sobre los procesos probables que ocurrieron en la escala de distancias astronómicas con lo que vemos en nuestra muestra en la escala de distancias atómicas”, dijo Tom Zega, profesor del Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona y primer autor del artículo, publicado en la revista especializada The Planetary Science Journal.

Un corte a través de un meteorito de Allende revela varias partículas esféricas, conocidas como condrules. La "isla" de forma irregular a la izquierda del centro es una inclusión rica en calcio y aluminio, o CAI. El grano de este estudio se aisló de dicho CAI (Universidad de Arizona)
Un corte a través de un meteorito de Allende revela varias partículas esféricas, conocidas como condrules. La "isla" de forma irregular a la izquierda del centro es una inclusión rica en calcio y aluminio, o CAI. El grano de este estudio se aisló de dicho CAI (Universidad de Arizona)

Zega y su equipo analizaron la composición de las inclusiones incrustadas en el meteorito utilizando microscopios electrónicos de transmisión de barrido de resolución atómica de vanguardia, uno en la Instalación de Caracterización e Imágenes de Materiales Kuiper de la Universidad de Arizona, y su microscopio hermano ubicado en la fábrica de Hitachi en Hitachinaka, Japón, con el que descubrieron que las inclusiones consisten principalmente en tipos de minerales conocidos como espinela y perovskita, que también se encuentran en las rocas de la Tierra y se están estudiando como materiales candidatos para aplicaciones como la microelectrónica y la energía fotovoltaica.

Esos tipos similares de sólidos ocurren en otros tipos de meteoritos conocidos como condritas carbonáceas, que son particularmente interesantes para los científicos planetarios, ya que se sabe que son restos de la formación del sistema solar y contienen moléculas orgánicas, incluidas las que pueden haber proporcionado las materias primas de por vida. El análisis preciso de la disposición espacial de los átomos permitió al equipo estudiar la composición de las estructuras cristalinas subyacentes con gran detalle. Para sorpresa del equipo, algunos de los resultados estaban en desacuerdo con las teorías actuales sobre los procesos físicos que se cree que están activos dentro de los discos protoplanetarios, lo que los llevó a profundizar más.

“No sabemos qué vías químicas llevaron al origen de estas inclusiones. La naturaleza es nuestro vaso de laboratorio, y ese experimento tuvo lugar miles de millones de años antes de que existiéramos, en un entorno completamente extraño”, apuntó Zega, que resaltó que el equipo se propuso realizar una “ingeniería inversa” en la composición de las muestras extraterrestres mediante el diseño de nuevos modelos que simulaban procesos químicos complejos, a los que las muestras serían sometidas dentro de un disco protoplanetario.

Ilustración de la historia dinámica que pudo haber experimentado la partícula modelada durante la formación del sistema solar. El análisis de las estructuras a escala micro y atómica de la partícula y su combinación con nuevos modelos que simulaban procesos químicos complejos en el disco reveló su posible viaje a lo largo de muchas órbitas alrededor del sol (cuadro de llamada y diagrama a la derecha). Originario no muy lejos de donde se formaría la Tierra, el grano se transportó a las regiones interiores más cálidas y, finalmente, se lavó en regiones más frías (Universidad de Arizona)
Ilustración de la historia dinámica que pudo haber experimentado la partícula modelada durante la formación del sistema solar. El análisis de las estructuras a escala micro y atómica de la partícula y su combinación con nuevos modelos que simulaban procesos químicos complejos en el disco reveló su posible viaje a lo largo de muchas órbitas alrededor del sol (cuadro de llamada y diagrama a la derecha). Originario no muy lejos de donde se formaría la Tierra, el grano se transportó a las regiones interiores más cálidas y, finalmente, se lavó en regiones más frías (Universidad de Arizona)

Tales modelos requieren una íntima convergencia de experiencia que abarque los campos de la ciencia planetaria, la ciencia de los materiales, la ciencia mineral y la microscopía, que fue lo que nos propusimos hacer”, agregó Krishna Muralidharan, coautor del estudio y profesor asociado en la UArizona Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Con base en los datos que los autores pudieron extraer de sus muestras, concluyeron que la partícula se formó en una región del disco protoplanetario no muy lejos de donde está ahora la Tierra, luego hizo un viaje más cerca del sol, donde estaba progresivamente más caliente, sólo para invertir más tarde el curso y lavarse en lugares más fríos y más alejados del sol joven. Finalmente, se incorporó a un asteroide, que luego se rompió en pedazos. Algunas de esas piezas fueron capturadas por la gravedad de la Tierra y cayeron como meteoritos en México.

Las muestras para este estudio se tomaron del interior de un meteorito y se consideran primitivas, en otras palabras, no se ven afectadas por las influencias ambientales. Se cree que este material primitivo no ha sufrido ningún cambio significativo desde que se formó por primera vez hace más de 4.500 millones de años, lo cual es raro. Queda por ver si se producen objetos similares en el asteroide Bennu, cuyas muestras serán devueltas a la Tierra por la misión OSIRIS-REx liderada por UArizona en 2023. Hasta entonces, los científicos se basan en muestras que caen a la Tierra a través de meteoritos. “Este material es nuestro único registro de lo que sucedió hace 4.567 mil millones de años en la nebulosa solar”, precisó el doctor Venkat Manga, coautor del artículo y profesor asistente de investigación en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Arizona. “Poder observar la microestructura de nuestra muestra a diferentes escalas, hasta la longitud de los átomos individuales, es como abrir un libro”.

Los autores agregaron que estudios como este podrían acercar a los científicos planetarios un paso más hacia “un gran modelo de formación de planetas”: una comprensión detallada del material que se mueve alrededor del disco, de qué está compuesto y cómo da origen al sol y los planetas. Potentes radiotelescopios como el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, o ALMA, en Chile ahora permiten a los astrónomos ver los sistemas estelares a medida que evolucionan, dijo Zega.

Quizás en algún momento podamos mirar a los discos en evolución, y luego realmente podamos comparar nuestros datos entre disciplinas y comenzar a responder algunas de esas preguntas realmente importantes”, dijo Zega. “¿Se están formando estas partículas de polvo donde creemos que lo hicieron en nuestro propio sistema solar? ¿Son comunes a todos los sistemas estelares? ¿Deberíamos esperar el patrón que vemos en nuestro sistema solar - planetas rocosos cerca de la estrella central y gigantes gaseosos más alejados - en todos los sistemas?

“Es un momento realmente interesante para ser científico cuando estos campos están evolucionando tan rápidamente”, agregó. “Y es increíble estar en una institución donde los investigadores pueden formar colaboraciones transdisciplinarias entre los principales departamentos de astronomía, ciencia planetaria y de materiales de la misma universidad”.

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