Pregunta a Ethan: ¿Cómo sabemos la edad del sistema solar?
Hace miles de millones de años, en algún rincón olvidado de la Vía Láctea, una nube molecular como muchas otras colapsó para formar nuevas estrellas. Una de ellas se formó en relativo aislamiento, recogiendo material en un disco protoplanetario a su alrededor, y formando finalmente nuestro Sol, los ocho planetas y el resto de nuestro Sistema Solar. Hoy en día, los científicos proclaman que el Sistema Solar tiene 4.600 millones de años, más o menos. Pero, ¿cómo lo sabemos? ¿Y tienen, por ejemplo, la Tierra y el Sol la misma edad? Eso es lo que quiere saber nuestro seguidor de Patreon, Denier, para la pregunta de esta semana a Ethan:
¿Cómo sabemos la edad de nuestro sistema solar? Tengo una ligera idea del concepto de datación del tiempo transcurrido desde que una roca era líquida, pero 4,5 mil millones de años es aproximadamente el tiempo que hace que Theia golpeó la proto-Tierra licuando una cantidad masiva de todo. ¿Cómo sabemos que realmente estamos datando el sistema solar y no sólo encontrando docenas de formas de datar la colisión de Theia?
Es una gran pregunta con matices, pero la ciencia está a la altura del reto. Esta es la historia.
muestran indicios de formación de planetas en el disco protoplanetario alrededor de Elias 2-27. La edad de los distintos componentes del sistema que acabarán formándose, sin embargo, no es algo que se conozca universalmente. L. Pérez / B. Saxton / MPIfR / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NASA / JPL Caltech / Equipo WISE
Sabemos bastante sobre la historia de nuestro Sistema Solar y cómo se formó. Es mucho lo que hemos aprendido observando la formación de otras estrellas, examinando regiones distantes de formación estelar, midiendo discos protoplanetarios, observando cómo las estrellas pasan por diversas etapas de sus ciclos vitales, etc. Pero la forma en que cada sistema evoluciona es única, y aquí, en nuestro propio Sistema Solar, miles de millones de años después de la formación del Sol y los planetas, lo único que nos queda son los supervivientes.
Inicialmente, todas las estrellas se forman a partir de una nebulosa presolar que atrae material, con una gran región exterior que permanece fría, donde se reúnen los silicatos amorfos, los compuestos basados en el carbono y los hielos. Una vez que la nebulosa presolar forma una protoestrella y luego una estrella completa, este material exterior entra y comienza a formar cúmulos más grandes.
Con el tiempo, estos cúmulos crecen y caen, donde interactúan, se fusionan, migran y potencialmente se expulsan unos a otros. En un lapso de tiempo de cientos de miles a millones de años, una vez que se tiene una estrella, los planetas acaban formándose; esto es rápido en una escala de tiempo cósmica. Aunque es probable que haya habido muchos objetos intermedios, para cuando hayan pasado unos pocos millones de años, el Sistema Solar se parecía bastante a lo que tenemos hoy.
Pero puede haber habido algunas diferencias importantes. Podría haber habido un quinto gigante gaseoso; los cuatro gigantes gaseosos que tenemos podrían haber estado mucho más cerca del Sol, habiendo migrado hacia el exterior; y quizás lo más importante, entre Venus y Marte, probablemente no había uno sino dos mundos: una proto-Tierra y un mundo más pequeño, del tamaño de Marte, llamado Theia. Mucho más tarde, tal vez decenas de millones de años después de que se formaran los otros planetas, la Tierra y Theia colisionaron.
Un cuerpo del tamaño de Marte colisionó con la Tierra primitiva, y los restos que no volvieron a caer a la Tierra formaron la Luna. La Tierra y la Luna, como resultado, deberían ser más jóvenes que el resto del Sistema Solar. NASA/JPL-Caltech
Fue esta colisión la que sospechamos que creó la Luna: llamamos a este evento la hipótesis del impacto gigante. La similitud de las rocas lunares, recuperadas por la misión Apolo, con la composición de la Tierra, nos ha llevado a sospechar que la Luna se formó a partir de la Tierra. Los otros planetas rocosos, que sospechosamente carecen de grandes Lunas, probablemente no tuvieron un impacto tan grande en su historia pasada.
Los mundos gigantes gaseosos, al tener mucha más masa que los demás, han podido retener el hidrógeno y el helio (los elementos más ligeros) que existían cuando el Sistema Solar se estaba formando por primera vez; a los otros mundos les voló la inmensa mayoría de esos elementos. Con demasiada energía procedente del Sol y sin suficiente gravedad para retener estos elementos ligeros, el Sistema Solar empezó a tomar forma tal y como lo conocemos hoy.
Pictoris, algo análogo a nuestro propio Sistema Solar durante su formación. Los mundos interiores, a menos que sean lo suficientemente masivos, no podrán retener su hidrógeno y helio. Avi M. Mandell, NASA
Pero ya han pasado miles de millones de años. ¿Cómo sabemos la edad del Sistema Solar? ¿Tiene la Tierra la misma edad que los demás planetas? Y ¿cómo cuál es la cifra definitiva de esa edad?
La respuesta más precisa, quizá sorprendentemente, proviene de la geofísica. Y eso no significa necesariamente «la física de la Tierra», sino la física de todo tipo de rocas, minerales y cuerpos sólidos. Todos los objetos de este tipo contienen una variedad de los elementos que se encuentran en la tabla periódica, con diferentes densidades/composiciones correspondientes al lugar del Sistema Solar, radialmente hacia fuera desde el Sol, en el que se formaron.
Observa la relación entre la densidad y la distancia al Sol. Karim Khaidarov
Esto implica que los diferentes planetas, asteroides, lunas, objetos del cinturón de Kuiper, etc., deberían estar hechos preferentemente de diferentes elementos. Los elementos más pesados de la tabla periódica, por ejemplo, deberían encontrarse preferentemente en Mercurio frente a, por ejemplo, Ceres, que a su vez debería estar más enriquecido que, por ejemplo, Plutón. Pero lo que debería ser universal, al menos eso se podría pensar, deberían ser las proporciones de los diferentes isótopos de los mismos elementos.
Cuando el Sistema Solar se forma, debería tener, por ejemplo, una proporción específica de carbono-12 a carbono-13 a carbono-14. El carbono-14 tiene una vida media cósmica corta (de unos pocos miles de años), por lo que el carbono-14 primordial debería haber desaparecido. Pero tanto el carbono-12 como el carbono-13 son estables, lo que significa que dondequiera que encontremos carbono en el Sistema Solar, deberían tener las mismas proporciones isotópicas. Esto es válido para todos los elementos e isótopos estables e inestables del Sistema Solar.
Debido a que el Sistema Solar tiene miles de millones de años, podemos buscar elementos que tengan isótopos con vidas medias que estén en los miles de millones de años. Con el paso del tiempo, es decir, a medida que el Sistema Solar envejece, estos isótopos se desintegran radioactivamente, y al observar las proporciones de los productos de desintegración frente al material inicial que aún queda, podemos determinar cuánto tiempo ha pasado desde que se formaron estos objetos. Para ello, los elementos más fiables son el uranio y el torio. En el caso del uranio, sus dos principales isótopos naturales, el U-238 y el U-235, tienen diferentes productos de desintegración y diferentes tasas de desintegración, pero ambos se sitúan en los miles de millones de años. En el caso del torio, el Th-232 radiactivo es el más útil.
Sin embargo, lo más destacable es que la mejor prueba de la edad de la Tierra y del Sistema Solar no proviene de la propia Tierra.
Hemos tenido decenas de meteoritos que han aterrizado en la Tierra con sus abundancias isotópicas y elementales medidas y analizadas. La clave está en observar el elemento plomo: la proporción entre Pb-207 y Pb-206 cambia con el tiempo debido a las desintegraciones de U-235 (que da lugar a Pb-207) y U-238 (que da lugar a Pb-206). Tratando a la Tierra y a los meteoritos como parte del mismo sistema en evolución -con la suposición de que existen las mismas relaciones isotópicas iniciales- podemos entonces mirar los minerales de plomo más antiguos encontrados en la Tierra para calcular la edad de la Tierra, los meteoritos y el Sistema Solar.
Es una estimación bastante buena, y nos da una cifra de 4.540 millones de años. Esto es bueno con una precisión superior al 1%, pero sigue siendo una incertidumbre de unas decenas de millones de años.
Cuando los meteoros golpean la parte superior de la atmósfera de la Tierra, se queman, creando las rayas brillantes y los destellos de luz que asociamos con las lluvias de meteoros. En ocasiones, una roca que cae es lo suficientemente grande como para llegar a la superficie, convirtiéndose en un meteorito. NASA / dominio público
¡Pero podemos hacer algo mejor que agregar todo junto! Seguro que eso da una gran estimación global, pero creemos que, digamos, la Tierra y la Luna son más jóvenes que los meteoritos por un poco.
- Podemos fijarnos en los meteoritos más antiguos, o en los que muestran las proporciones de plomo más extremas, para intentar estimar la edad del Sistema Solar: obtenemos una cifra de unos 4.568 millones de años si hacemos eso.
- Podemos fijarnos en las rocas de la Luna, que no han sufrido el procesamiento geológico que tienen las rocas de la Tierra. Tienen una edad de 4.510 millones de años.
Y por último, tenemos que revisar nuestra cordura. Todo esto se basaba en la suposición de que la proporción de U-238 y U-235 era la misma en todo el Sistema Solar. Pero nuevas evidencias en los últimos 10 años han demostrado que esto es probablemente falso.
Los detectores LUX, incluyendo cómo las abundancias de materiales radiactivos han decaído con el tiempo. Las señales observadas por LUX son consistentes con el fondo solo. A medida que los elementos decaen con el tiempo, las abundancias de reactivos y productos cambian. D.S. Akerib et al., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299
Hay lugares donde el U-235 está enriquecido hasta un 6% por encima del valor típico. Según Gregory Brennecka,
Desde la década de 1950, o incluso antes, nadie había sido capaz de detectar diferencias . Ahora somos capaces de medir ligeras diferencias. Ha sido una especie de ojo negro para algunos en la geocronología. Para decir realmente que conocemos la edad del sistema solar basándonos en la edad de la roca, es esencial que todas coincidan.
Pero hace dos años se descubrió una resolución: hay otro elemento que juega un papel. El curio, un elemento más pesado y con una vida media más corta que incluso el plutonio, decae radioactivamente en U-235, lo que explica exquisitamente las variaciones. Las incertidumbres que quedan son sólo de unos pocos millones de años como máximo.
Se cree que los discos protoplanetarios con los que se forman, se fusionarán en planetas con el tiempo, como muestra esta ilustración. Es importante reconocer que la estrella central, los planetas individuales y el material primordial sobrante (que, por ejemplo, se convertirá en asteroides) pueden tener variaciones en las edades del orden de decenas de millones de años. NAOJ
Así que, en general, podemos decir que el material sólido más antiguo que conocemos en el Sistema Solar tiene 4.568 millones de años, con una incertidumbre de quizá sólo 1 millón de años. La Tierra y la Luna son tal vez unos 60 millones de años más jóvenes, habiendo alcanzado su forma final algo más tarde. Además, no podemos saber esto mirando a la propia Tierra; las rocas que sobran aquí son todas más antiguas.
Pero el Sol, quizá sorprendentemente, puede ser un poco más antiguo, ya que su formación debe ser anterior a los objetos sólidos que forman los otros componentes del Sistema Solar. El Sol puede ser hasta decenas de millones de años más viejo que las rocas más antiguas del Sistema Solar, posiblemente acercándose a los 4.600 millones de años de edad. La clave, pase lo que pase, es buscar la respuesta de forma extraterrestre. Irónicamente, ¡es la única manera de conocer con exactitud la edad de nuestro propio planeta!
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