Extrañas manchas en el manto profundo son los restos de un planeta antiguo

Un estudio realizado por el Instituto de Tecnología de California sugiere que dos estructuras masivas ricas en hierro en las profundidades del manto de la Tierra son los restos de Theia, un antiguo planeta que chocó con la Tierra y también creó la Luna. Este descubrimiento responde a preguntas de larga data sobre el origen de la Luna y el destino de Theia.

En la década de 1980, los geofísicos hicieron un descubrimiento sorprendente: se habían encontrado dos masas de materiales inusuales del tamaño de un continente en las profundidades del centro de la Tierra, una debajo del continente africano y otra debajo del Océano Pacífico. Cada punto tiene aproximadamente el doble del tamaño de la Luna y probablemente esté compuesto por diferentes proporciones de elementos en comparación con el manto circundante.

Activos del condado grandes y de baja velocidad

¿De dónde proceden estas extrañas manchas, oficialmente conocidas como Grandes Provincias de Baja Velocidad (LLVP, por sus siglas en inglés)? Un nuevo estudio realizado por investigadores del Instituto de Tecnología de California sugiere que se trata de los restos de un antiguo planeta que chocó violentamente con la Tierra hace miles de millones de años en el mismo impacto gigante que dio origen a nuestra Luna.

El estudio fue publicado en la revista naturaleza El 1 de noviembre también propone una respuesta a otro misterio de la ciencia planetaria. Los investigadores han asumido durante mucho tiempo que la Luna se creó tras una colisión gigante entre la Tierra y un planeta más pequeño llamado Theia, pero no se ha encontrado ningún rastro de Theia en el cinturón de asteroides ni en los meteoritos. Este nuevo estudio sugiere que la mayor parte de Theia fue absorbida por la Tierra joven, formando LLVP, mientras que los restos restantes de la colisión fueron absorbidos por la Luna.

Visualización de la Tierra con grandes «manchas» de materia densa cerca del núcleo terrestre. Estos puntos fueron descubiertos en la década de 1980. Ahora, los investigadores sugieren que en realidad se trata de los restos de un antiguo planeta, Theia, que chocó con la Tierra para formar la Luna. Crédito: Edward Garnero

Metodología y resultados de la investigación.

La investigación fue dirigida por Qian Yuan, investigador asociado postdoctoral de Oakey Earle en los laboratorios de Paul Asimo (MS ’93, PhD ’97), profesor de Geología y Geoquímica Eleanor y John R. MacMillan; y Michael Jorness, profesor de geofísica John E. y Hazel S. Smits y presidente de liderazgo Clarence R. Allen, director del Laboratorio Sísmico de Caltech y director de la Academia Schmidt de Ingeniería de Software de Caltech.

Los científicos descubrieron por primera vez los LLVP midiendo ondas sísmicas que viajan a través de la Tierra. Las ondas sísmicas viajan a diferentes velocidades a través de diferentes materiales, y en la década de 1980 surgieron los primeros indicios de variaciones tridimensionales a gran escala en lo profundo de la estructura de la Tierra. En el manto más profundo, el patrón de las ondas sísmicas está dominado por las señales de dos grandes estructuras cercanas al núcleo de la Tierra que los investigadores creen que tienen un nivel inusualmente alto de hierro. Este alto contenido de hierro significa que las áreas son más densas que sus alrededores, lo que hace que las ondas sísmicas que las atraviesan se ralenticen, lo que lleva al nombre de «grandes provincias de baja velocidad».

Yuan, geofísico de formación, asistía a un simposio sobre la formación de planetas impartido por Mikhail Zolotov, profesor de la Universidad Estatal de Arizona, en 2019. Zolotov presentó la hipótesis del impacto gigante, mientras que Qian señaló que la luna es relativamente rica en hierro. Zolotov añadió que no se había encontrado ningún rastro del vehículo, que seguramente había chocado contra el suelo.

«Justo después de que Michael dijera que nadie sabe dónde está ahora el objeto de impacto, tuve un ‘momento eureka’ y me di cuenta de que el objeto de impacto rico en hierro podría haberse transformado en gotas del manto», dice Yuan.

Simulación detallada del impacto de Theia con la Tierra. Aunque el impacto fue violento, no fue lo suficientemente poderoso como para derretir el manto inferior de la Tierra, lo que significa que los restos de Theia podrían haberse preservado, en lugar de mezclarse homogéneamente con el material de la Tierra. Crédito: Hong Bing Ding

Yuan trabajó con colaboradores interdisciplinarios para modelar diferentes escenarios para la composición química de Theia y su impacto en la Tierra. Las simulaciones confirmaron que la física de la colisión podría conducir a la formación tanto de LLVP como de la Luna. Es posible que parte del manto de Theia se haya incorporado al manto de la Tierra, donde eventualmente se acumuló y cristalizó para formar las dos manchas distintas que hoy se pueden detectar en el límite manto-núcleo; Otros restos de la colisión se mezclaron para formar la Luna.

Implicaciones e investigaciones futuras.

Dado este violento impacto, ¿por qué el material de Theia se acumuló en dos puntos distintos en lugar de mezclarse con el resto del planeta en formación? Las simulaciones de los investigadores mostraron que gran parte de la energía del impacto de Theia permaneció en la mitad superior del manto, dejando el manto inferior de la Tierra más frío de lo que habían estimado los modelos de impacto de baja resolución anteriores. Debido a que el manto inferior no se derritió completamente por el impacto, las gotas de material rico en hierro de Theia permanecieron en gran medida intactas mientras se tamizaba hacia la base del manto, como coloridos grumos de cera de parafina en una lámpara de lava apagada. Si el manto inferior hubiera estado más caliente (es decir, hubiera recibido más energía de la colisión), se habría mezclado mejor con materiales ricos en hierro, como los colores en un bote de pintura.

Los próximos pasos son estudiar cómo la presencia temprana de material heterogéneo de Theia en las profundidades de la Tierra afectó los procesos internos de nuestro planeta, como la tectónica de placas.

«La consecuencia lógica de la idea de que los LLVP son restos de Theia es que son muy antiguos», dice Asimov. «Por lo tanto, tiene sentido estudiar luego qué consecuencias tuvieron en la evolución temprana de la Tierra, como el inicio de la subducción antes de que las condiciones se volvieran adecuadas para la tectónica de placas moderna, la formación de los primeros continentes y el origen de las placas tectónicas más antiguas. de los minerales de la Tierra.»

Una nueva investigación responde a dos viejos misterios de la ciencia planetaria: ¿qué son las gigantescas y misteriosas «gotas» de material cerca del núcleo de la Tierra y qué pasó con el planeta que chocó con la Tierra para crear la Luna? Un nuevo estudio del Instituto de Tecnología de California sugiere que todavía existen restos de este antiguo planeta dentro de la Tierra, lo que explica los orígenes de las «manchas» cerca del límite entre el núcleo y el manto.

Referencia: “La colisión de formación de la luna como fuente de la anomalía del manto basal de la Tierra” por Qian Yuan, Mingming Li y Stephen J. Desch, Byung-Kwan Koo, Hongpeng Deng y Edward J. Garnero, Travis S.J. Gabriel y Jacob A. , Vincent Ecke y Paul D. Asimov, 32 de octubre de 2023, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-06589-1

Qian Yuan es el primer autor. Además de Yuan y Asimo, un coautor adicional en Caltech es Yoshinori Miyazaki, un investigador postdoctoral de Stanback involucrado en la evolución planetaria comparada. Los coautores adicionales son Mingming Li, Stephen Desch y Edward Garnero (PhD ’94) de la Universidad Estatal de Arizona (ASU); Byungkwan Ko de la Universidad Estatal de Arizona y la Universidad Estatal de Michigan; Hongping Ding de la Academia China de Ciencias; Travis Gabriel del USGS; Jacob Kegeris NASACentro de Investigación Ames; y Vincent Ecke de la Universidad de Durham. La financiación fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias, la beca posdoctoral Aoki Earle en Caltech, el USGS, la NASA y el Centro Caltech para la Evolución Planetaria Comparada.