El neón del manto ilumina la formación de la Tierra

Impresión artística de una joven estrella rodeada por un disco protoplanetario en el que se forman planetas. Basados ​​en medidas de isótopos de neón, los investigadores de UC Davis concluyen que la Tierra se formó relativamente rápido a partir de esta nube de polvo y gas, que recolecta agua, carbono y nitrógeno en la Tierra profunda. Crédito: ESO (Observatorio Europeo del Sur)

Según la investigación publicada el 5 de diciembre en la revista Nature la Tierra se formó relativamente rápido a partir de la nube de polvo y gas alrededor del sol, atrapando el agua y los gases en el manto del planeta . Además de establecer los orígenes de la Tierra, el trabajo podría ayudar a identificar sistemas extrasolares que podrían sustentar planetas habitables. 

Basándose en datos de las profundidades de la Tierra al espacio profundo, la Universidad de California, Davis, el profesor Sujoy Mukhopadhyay y el investigador postdoctoral Curtis Williams utilizaron isótopos de neón para mostrar cómo se formó el planeta. 

"Estamos tratando de entender dónde y cómo se adquirió el neón en el manto de la Tierra, lo que nos dice qué lo rápido que se formó el planeta y en qué condiciones", dijo Williams. 

El neón es en realidad un sustituto del origen de gases como el agua, el dióxido de carbono y el nitrógeno, dijo Williams. A diferencia de estos compuestos que son esenciales para la vida, el neón es un gas noble inerte, y no está influenciado por procesos químicos y biológicos. 

"Así que el neón conserva un recuerdo de dónde vino incluso después de cuatro mil quinientos millones de años", dijo Mukhopadhyay. 

Existen tres ideas contrapuestas sobre cómo se formó la Tierra a partir de un disco protoplanetario de polvo y gas hace más de 4 mil millones de años y cómo el agua y otros gases se entregaron a la Tierra en crecimiento. En el primero, el planeta creció con relativa rapidez durante 2 a 5 millones de años y capturó el gas de la nebulosa, la nube de polvo y gas que rodea al sol joven. La segunda teoría sugiere que las partículas de polvo se formaron y fueron irradiadas por el sol durante algún tiempo antes de condensarse en objetos en miniatura llamados planetesimales que posteriormente se entregaron al planeta en crecimiento. En la tercera opción, la Tierra se formó de manera relativamente lenta y los gases fueron suministrados por meteoritos de condrita carbonosa que son ricos en agua, carbono y nitrógeno. 

Estos diferentes modelos tienen consecuencias sobre cómo era la Tierra primitiva, dijo Mukhopadhyay. Si la Tierra se formara rápidamente a partir de la nebulosa solar, habría tenido una gran cantidad de gas hidrógeno en la superficie o cerca de ella. Pero si la Tierra se formara a partir de condritas carbonosas, su hidrógeno habría llegado en la forma más oxidada, el agua. 

Neón desde el fondo del océano hasta el espacio profundo. 

Para averiguar cuál de las tres ideas en competencia sobre la formación de planetas y la entrega de gases fue correcta, Williams y Mukhopadhyay midieron con precisión las proporciones de isótopos de neón que quedaron atrapados en el manto de la Tierra cuando se formó el planeta. El neón tiene tres isótopos, neon-20, 21 y 22. Los tres son estables y no radiactivos, pero neon-21 está formado por la desintegración radiactiva del uranio. Así que las cantidades de neon-20 y 22 en la Tierra se han mantenido estables desde que se formó el planeta y se mantendrán así para siempre, pero neon-21 se acumula lentamente con el tiempo. Se predice que los tres escenarios para la formación de la Tierra tendrán diferentes proporciones de neon-20 a neon-22. 

Lo más cerca que podían llegar al manto era mirar rocas llamadas basalto de almohada en el fondo del océano. Estas rocas vítreas son los restos de flujos de las profundidades de la Tierra que se derramaron y se enfriaron en el océano, que luego serán recolectados por una expedición de perforación liderada por la Universidad de Rhode Island, que pone su colección a disposición de otros científicos. 

Los gases se encuentran en pequeñas burbujas dentro del basalto. Usando una prensa, Williams trituró chips de basalto en una cámara sellada, permitiendo que los gases fluyeran hacia un espectrómetro de masas sensible. 

Ahora por la parte del espacio. Investigadores anteriores establecieron la proporción de isótopos de neón para el modelo de “nebulosa solar” (formación temprana temprana) con datos de la misión Génesis, que capturó partículas del viento solar. Los datos para el modelo de "partículas irradiadas" provinieron de análisis de suelos lunares y de meteoritos. Finalmente, los meteoritos de condrita carbonácea proporcionaron datos para el modelo de "acreción tardía". 

Tamaño mínimo para un planeta habitable. 

Las relaciones de isótopos que encontraron fueron muy superiores a las de los modelos de "partículas irradiadas" o "acreción tardía", dijo Williams, y respaldan la rápida formación temprana. 

"Esta es una clara indicación de que hay un neón nebular en el manto profundo", dijo Williams. 

El neón, recuerda, es un marcador para esos otros compuestos volátiles. El hidrógeno, el agua, el dióxido de carbono y el nitrógeno se habrían condensado en la Tierra al mismo tiempo, todos los ingredientes que, por lo que sabemos, forman un planeta habitable. 

Los resultados implican que para absorber estos compuestos vitales, un planeta debe alcanzar un cierto tamaño, el tamaño de Marte o un poco más grande, antes de que la nebulosa solar se disipe. Las observaciones de otros sistemas solares muestran que esto lleva alrededor de 2 a 3 millones de años, dijo Williams. 

¿Ocurre el mismo proceso alrededor de otras estrellas? Las observaciones del observatorio Atacama Large Millimeter Array, o ALMA, en Chile sugieren que sí, dijeron los investigadores. 

ALMA utiliza una serie de 66 radiotelescopios que funcionan como un solo instrumento para generar imágenes de polvo y gas en el universo. Puede ver los discos de polvo y gas que forman el planeta alrededor de algunas estrellas cercanas. En algunos casos, hay bandas oscuras en los discos donde se ha agotado el polvo. 

"Hay un par de formas en que el polvo se puede agotar del disco, y una de ellas es que están formando planetas", dijo Williams. 

"Podemos observar la formación de planetas en un disco de gas en otros sistemas solares, y hay un registro similar de nuestro propio sistema solar conservado en el interior de la Tierra", dijo Mukhopadhyay. "Esta podría ser una forma común para que los planetas se formen en otros lugares". 

El trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencia. 

Fuente: Universidad de California Davis,