Francis en #rosavientos: Por qué está inclinada la órbita de la Luna

Dibujo20151128 earth moon still epic dscovr nasa

Ya está disponible el audio del podcast de Eureka, mi sección en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción, unos enlaces y algunas imágenes.

La Luna se formó a partir de los fragmentos expulsados ​​por la colisión de un objeto del tamaño de Marte con la Tierra primitiva. Esta teoría predice que la órbita lunar debería estar en el plano ecuatorial de nuestro planeta. Sin embargo, presenta un ángulo de 5º respecto al plano orbital de la Tierra, lo que hace que veamos eclipses lunares cada seis meses, en lugar de uno al mes. Se publica en Nature una explicación al misterio. El efecto de la acción gravitatoria que, en el pasado, ejercieron pequeños cuerpos planetarios de su entorno. Esta posible solución al enigma lunar se ha logrado gracias al uso de superordenadores.

El artículo es Kaveh Pahlevan, Alessandro Morbidelli, “Collisionless encounters and the origin of the lunar inclination,” Nature 527: 492–494 (26 Nov 2015) doi: 10.1038/nature16137; recomiendo leer a Robin Canup, “Planetary science: The Moon’s tilt for gold,” Nature 527: 455–456 (26 Nov 2015) doi: 10.1038/527455a.

Más información divulgativa en “Posible solución a un viejo misterio: por qué la Luna está inclinada,” Agencia SINC, 25 Nov 2015; Kenneth Chang, “Vinculan inclinación de la luna con el oro terrestre” New York Times International Weekly, 27 Nov 2015.

Dibujo20151128 Collisionless interactions could have altered the early Moon orbit moons tilt gold nature527455a-f1

Luna completa una vuelta alrededor de la Tierra cada 28 días. Un eclipse lunar ocurre cuando la Tierra se interpone entre el Sol y la Luna. ¿Por qué no hay un eclipse lunar todos los meses? La Luna describe alrededor de la Tierra una órbita elíptica de baja excentricidad, casi circular. La órbita de la Luna es bastante compleja debido al efecto de la fuerza de la gravedad ejercida por el Sol. La órbita de la Luna está en relación síncrona con la Tierra, girando sobre sí misma al mismo ritmo con el que rota alrededor de la Tierra, una vez cada 28 días, con lo que siempre nos muestra la misma cara. No vemos un eclipse lunar cada mes porque el plano de la órbita lunar está inclinado respecto a la eclíptica (el plano de la órbita de la Tierra respecto al Sol). Esta inclinación de unos 5° es la causa de que los eclipses se produzcan solo en dos puntos de la órbita lunar, uno cada seis meses, en lugar de uno al mes. El origen de esta inclinación de unos 5º es uno de los misterios sobre la Luna que todavía no hemos desvelado. La teoría más aceptada sobre la formación de la Luna afirma que surgió de los escombros expulsados ​​por la colisión de un pequeño planeta contra la Tierra primitiva hace unos 4.530 millones de años. La Luna se formó por acreción de cuerpos que fueron impactando sobre ella. Estos impactos inelásticos disipan energía y reducen los movimientos hacia arriba y hacia abajo provocando que la órbita lunar se quede en el plano ecuatorial de nuestro planeta. Por ello es un enigma que haya una inclinación del plano de la órbita lunar de 5º; de hecho, las mareas que produce la gravedad de la Luna en la Tierra causan que la rotación de la Tierra se desacelere, que la Luna se aleje y que se reduzca la inclinación de la órbita lunar. Sin ningún otro efecto, una inclinación actual de 5º implica que una inclinación inicial de unos 10º tras la formación de la Luna, que es unas diez veces más grande de lo esperado. Se ha publicado esta semana un artículo en la revista Nature que propone una solución para este enigma, el llamado problema de la inclinación lunar. Según simulaciones por ordenador, aunque al principio la órbita de la Luna estuviese en el plano de la eclíptica, el efecto de la gravedad de miles de pequeños cuerpos o planetesimales en el sistema Tierra-Luna poco después de su formación inclinó el plano de la órbita lunar.

Dibujo20151128 Sample realization from Collisionless encounters and the origin of the lunar inclination nature16137-f1

La luna siempre nos ofrece la misma cara, pero muestra un movimiento de bamboleo en el cielo que permite ver una pequeña parte de la otra cara. ¿Tiene algo que ver este movimiento de bamboleo de la luna con la inclinación de su órbita? Sí, la inclinación del plano de la órbita lunar es el responsable más importante de ese movimiento aparente de la Luna en el cielo, similar a un bamboleo, llamado libración lunar en latitud. Gracias a este efecto podemos ver un 59% de la superficie de la Luna. Si no existiera la inclinación de 5º del plano orbital de la Luna, solo veríamos el 50% de la Luna. Quedando el otro 50%, la cara oculta, completamente oculta. Por cierto, los oyentes interesados en ver la cara oculta de la Luna pueden disfrutar de las fotos del satélite DSCOVR (Deep Space Climate Observatory) de la NASA, que está situado a un millón y medio de kilómetros de la Tierra en el punto de Lagrange L1 del sistema Tierra-Sol. Las fotos de su cámara policromática EPIC (Earth Polychromatic Imaging Camera) permiten contemplar la Tierra en tiempo real en “color verdadero” (como si estuviésemos dentro de dicho satélite de la NASA). Los oyentes interesados solo tienen que buscar en la web vía Google “EPIC NASA” (http://epic.gsfc.nasa.gov/) y podrán disfrutar de las maravillosas fotos que toma este satélite. Cuando la Luna está en la fase de luna nueva en dichas fotos aparece una imagen espectacular de la cara oculta de la Luna. Esta cara es muy diferente a la cara visible, tiene pocas manchas oscuras (los llamados ‘mares’) que podemos apreciar en su superficie.

Dibujo20151128 Properties of planetesimal populations - From Collisionless encounters and the origin of the lunar inclination - nature16137-sf1

Volviendo al problema de la inclinación lunar, la nueva solución publicada en Nature afirma que la gravedad de pequeños cuerpos planetarios afectó a la órbita de la Luna primitiva y la inclinó unos cinco grados. ¿Qué tamaño tenían estos cuerpos? La nueva explicación para la inclinación de la órbita lunar publicada en Nature por los astrónomos Kaveh Pahlevan y Alessandro Morbidelli, del Observatorio de la Costa Azul (Francia), se ha basado en simulaciones por ordenador del entorno del sistema Tierra-Luna primitivo. Tras la formación de la Luna a partir de un disco de escombros que rodeaba la Tierra primitiva, había gran número de pequeños cuerpos planetarios, objetos planetesimales, que interaccionaron mediante la gravedad, sin contacto alguno con la Luna, unas pocas decenas de millones de años después de la formación de nuestro satélite. Las simulaciones por ordenador muestran que no es necesario la interacción de un cuerpo grande, siendo suficiente el efecto acumulado de muchas interacciones de miles de pequeños cuerpos cuya masa total podría estar entre un 7,5 ‰ y un 1,5 % de la masa terrestre. Según los modelos por ordenador la mayoría de estos pequeños cuerpos acabó cayendo en la Tierra primitiva e incorporándose a ella, dando lugar a una acumulación en las capas externas de la Tierra de elementos químicos como el iridio, el platino y el oro, que se encuentran en mayor cantidad de la esperada según los modelos convencionales de formación de la Luna. Esta nueva solución al problema de la inclinación lunar es mucho más simple que las explicaciones anteriores. La mayoría se basaba en procesos complejos que implican una resonancia gravitatoria periódica entre la Luna y el Sol, o entre la Luna con su disco de escombros precursor. Estos modelos son mucho menos plausibles que el nuevo modelo, que además tiene la ventaja de que es un mecanismo mucho más sencillo. Hasta ahora se pensaba que el efecto gravitatorio de pequeños cuerpos era insuficiente para inclinar el plano orbital de la Luna, pero el nuevo estudio ha comprobado que la acumulación de efectos pequeños durante decenas de millones de años es suficiente para inclinar el plano orbital de la Luna.

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Parece increíble que gran parte de las reservas superficiales de metales preciosos como el oro o el platino tengan su origen en los escombros que dieron lugar a la formación de la Luna. ¿Qué sabemos sobre cómo se formó el oro que hay en la Tierra? La mayor parte de los elementos químicos pesados, como el oro, se generaron en explosiones de supernovas. Pero también se producen en otros eventos cósmicos violentos, como las colisiones de estrellas de neutrones (los núcleos muertos de estrellas que previamente explotaron como supernovas). Estas colisiones se observan gracias a que producen estallidos breves de rayos gamma. En estas colisiones de estrellas de neutrones se estima que se generan una cantidad de oro similar a la masa de la Luna. El oro y otros elementos más pesados acaban en los planetesimales de los discos protoplanetarios de las estrellas y de allí acaban formando parte de los planetas rocosos como la Tierra. Los metales preciosos como el oro y el platino son siderófilos, es decir, tienen una fuerte afinidad química con el hierro. Todos hemos visto alguna vez ilustraciones de la Tierra primitiva que la presentan como una bola de magma fundido cuya superficie se enfría y da lugar a la corteza. Como el hierro tiene una gran densidad se hunde hacia el centro del planeta para formar un núcleo. En este proceso se lleva con él a los elementos siderófilos, dejando una corteza con un contenido muy bajo de metales preciosos. Se estima que en el núcleo de la Tierra hay suficiente oro y platino como para cubrir toda la superficie de la Tierra con una capa de unos cuatro metros de espesor. Para explicar la abundancia actual de estos metales preciosos en la superficie terrestre la teoría más popular afirma que son resultado de un bombardeo de meteoritos que ocurrió unos 200 millones de años tras la formación de la Tierra. Este bombardeó incrementó la masa de la Tierra primitiva en un 1%. Sin embargo, esta teoría tiene un problema, ya que la Luna debería haber recibido el 5% de todos estos impactos, pero la abundancia de siderófilos lunares implica que la Luna ha recibido menos de la mitad de dicha cantidad. El nuevo artículo los astrónomos Kaveh Pahlevan y Alessandro Morbidelli, del Observatorio de la Costa Azul (Francia), propone que la cantidad que falta fue resultado de los cuerpos que se encontraban cerca del sistema Tierra-Luna y causaron que el plano orbital de la Luna se inclinara. Dichos cuerpos acabarían cayendo a la Tierra, sin impactar con la Luna, provocando una mayor acumulación de elementos siderófilos como el oro y el platino en la Tierra que en la Luna. Así lo indican las simulaciones por ordenador que han realizado estos astrónomos. Por supuesto, serán necesarias futuras investigaciones para aclarar muchos detalles del proceso que aún no están del todo claros. En ciencia una solución a un enigma siempre genera nuevas preguntas. Resulta alucinante que le debemos gran parte del oro de la superficie terrestre a los cuerpos que provocaron que el plano orbital de la Luna esté inclinado 5º respecto a la eclíptica.

Más información en Matthias Willbold, Tim Elliott, Stephen Moorbath, “The tungsten isotopic composition of the Earth’s mantle before the terminal bombardment,” Nature 477: 195–198 (08 Sep 2011) doi: 10.1038/nature10399; Thorsten Kleine, “Geoscience: Earth’s patchy late veneer,” Nature 477: 168–169 (08 Sep 2011) doi: 10.1038/477168a; Carlos S. Cazorla, “¿Cómo se formó el oro en la Tierra?,” Xataka Ciencia, 08 Sep 2011; Carlos Zahumenszky, “Descubren el verdadero origen del oro: explosiones cósmicas masivas,” Gizmodo, 18 Jul 2013; “El fascinante origen cósmico del oro de la Tierra,” NCYT, 09 Ago 2013.

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11 Comentarios

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WaldemarWaldemar

Si sacara una fotografía del cielo todas las noches a la misma hora a lo largo de un año y luego las superpondría, ¿Qué figura formaría la luna?

AlnairAlnair

No entiendo porque la teoría del impacto predice que la órbita de la Luna tendría que tener el plano de la eclíptica.

Cualquier pequeña desviación de unos miles de quilometros en el plano durante el choque debería provocar una inclinación. Por ejemplo, si la colisión se hubiera producido cerca de un polo de la tierra, la inclinación “debería” ser de casi 90º.

Francisco R. Villatoro

Alnair, quizás olvidas que tras la formación de la Luna la inclinación de su plano orbital se reduce con el paso del tiempo (unos 4.000 millones de años es mucho tiempo) y se reduce a un ritmo mayor si la inclinación es mayor. Por tanto, para que ahora tenga una inclinación de cinco grados debió crearse con ángulos enormes (superiores a treinta grados). Estos ángulos son demasiado grandes para la teoría del impacto.

La teoría del impacto predice que el impactor (y parte de la Tierra) se destruye completamente y se reduce una “nube” de materia alrededor de la Tierra; la rotación de la Tierra, en unos millones de años, recoloca toda esta materia en un disco que orbita en el plano de rotación de la Tierra; el grosor del disco se reduce conforme pasa el tiempo. En dicho disco se produce una acreción de materia que da lugar a un cuerpo de gran tamaño (la Luna) cuya órbita debe encontrarse en dicho disco orbital; de hecho, cualquier movimiento transversal de la Luna se disipa rápidamente porque los impactos por debajo y por arriba son igualmente probables. Como resultado, la Luna debe acabar de formarse con una inclinación pequeña (menor de unos 10 grados). Con una inclinación tan pequeña, tras 4.000 millones de años debería tener una inclinación inferior a un grado (cinco grados es demasiado y de ahí el problema de la inclinación lunar).

AlnairAlnair

Gracias Francis, me has aclarado mucho las cosas.

Solo una aclaración, dices que después del impacto el disco de materia en pocos millones de años se recoloca con el plano de rotación (sobre su eje) de la Tierra (que ahora está alrededor de 23,5º) y luego de muchos mas millones de años acaba alineandose con el plano de la órbita terrestre.

¿Lo he entendido bien?

Francisco R. Villatoro

Alnair, no te confundas. Yo no digo eso (entre otras cosas porque es falso). Los escombros rotaron alrededor de la Tierra en un plano próximo al plano de la eclíptica (plano de la órbita de la Tierra alrededor del Sol). En el evento que dio lugar a la formación de la Luna el eje de rotación diaria de la Tierra cambió bruscamente (hasta unos 60 grados y se ha ido reduciendo de forma oscilatoria, hasta el valor actual, que oscila entre 22 y 24,5 grados en una escala de decenas de miles de años). No te confundas y no pongas en mi boca cosas que no he dicho.

M.I.M.I.

En el enlace de gizmodo dice que el oro y los metales más pesados no se han formado en las supernovas sino en las colisiones de estrellas de neutrones. Pero tú dices que es en ambos procesos… ¿Se conoce la respuesta correcta o son especulaciones aún?

Pedro Mascarós

Comento una anécdota sobre las órbitas del sol y la luna que me encanta: Hace 2600 años una de las dudas que había entonces, como sabéis, era porqué la tierra no caía, duda que era el producto de extrapolar la experiencia que se tenía entonces sobre la “pensatez”, a todos los elementos del universo.
El gran Anaximandro tuvo una idea brillante, y era el colocar la tierra en el centro del universo, y así, ya no había motivo para que cayera a sitio alguno. Entonces la pregunta era ¿por qué la Luna y el Sol no caen hacia la tierra? La explicación de Anaximandro no puede ser más brillante; para él, la Luna y el Sol no son astros, si no en realidad anillos al rededor de nuestro planeta, lo que nosotros veríamos es un apertura de estos anillos la cual se va moviendo; la idea la sacó Anaximandro de las fraguas de entonces, y conjeturó el material que se fraguaba en cada caso y por qué veíamos lo que vemos. No dio ni una, pero lo cortés no quita lo valiente; inteligente era un rato largo.

Fijaros que el “error” de entonces (extrapolar la experiencia de “caer” a todo) es el mismo que cometemos ahora con el concepto de origen; la única experiencia que tenemos nosotros respecto al origen de las cosas (algo no existía, y después existe) es solo respecto a lo que vemos dentro de nuestro universo, pero se lo extrapolamos a todo, incluido a nuestro propio universo, y de ahí salen conceptos como la Nada y demás churros mentales. Y donde algunos ponían a Atlas para sujetar la tierra, hoy otros ponen al dios de su religión para crear el universo.
Mismo problema, distinto context.

U-95U-95

Lástima que no haya preprint de ArXiv para echarle un vistazo. ¿El gráfico b muestra la separación entre Tierra y Luna?. De ser así es curioso, porque siempre pensé que la Luna había estado mucho más cerca tras su formación -30000-40000 kilómetros-

Idoia GarcíaIdoia García

El artículo me paree muy bueno, pero, aunque no sean en absoluto importantes, se cuelan dos errores, por otra parte muy difundidos.
La frase debería ser:
“Luna completa un ciclo lunar cada 29,5 días. Un eclipse lunar ocurre cuando la Tierra se interpone entre el Sol y la Luna. ¿Por qué no hay un eclipse lunar todos los meses? ”
Son muy muy frecuentes este par de errores:
1- La alineación Sol-Tierra-Luna que produciría un eclipse si la órbita de la Luna no estuviera inclinada depende de la fase (luna llena cada 29,5 días) y no de la traslación lunar.
2- El número 28, tan utilizado en todos los lugares, no representa ni la duración de la traslación lunar (27,3 , si se quiere redondear escribir 27) ni con el ciclo de fases :29,5
Lo siento si suena descortés, pero estoy empezando una guerra contra esa leyenda urbana que es el 28-Luna.

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