3.1: Origen de la Tierra y del Sistema Solar

Según la teoría del Big Bang, el universo parpadeó violentamente hacia la existencia hace 13.77 mil millones de años (Figura\(\PageIndex{1}\)). El Big Bang suele describirse como una explosión, pero imaginarlo como una enorme bola de fuego no es exacto. El Big Bang implicó una repentina expansión de materia, energía y espacio desde un solo punto. El tipo de explosión de Hollywood que podría venir a la mente implica la expansión de la materia y la energía dentro del espacio, pero durante el big bang, se creó el espacio mismo.

Figura\(\PageIndex{1}\) El Big Bang y el desarrollo del universo (Steven Earle, “Physical Geology”).

Al inicio del Big Bang, el universo estaba demasiado caliente y denso para ser cualquier cosa menos un chisporroteo de partículas más pequeñas que los átomos, pero a medida que se expandió, también se enfrió. Eventualmente algunas de las partículas colisionaron y se pegaron entre sí. Esas colisiones produjeron hidrógeno y helio, los elementos más comunes en el universo, junto con una pequeña cantidad de litio. La gravedad hizo que las nubes de estos primeros elementos se fusionaran en estrellas, y fue dentro de estas estrellas donde se formaron elementos más pesados

Nuestro sistema solar comenzó a formarse hace alrededor de 5 mil millones de años, aproximadamente 8.7 mil millones de años después del Big Bang. Un sistema solar consiste en una colección de objetos que orbitan una o más estrellas centrales. Todos los sistemas solares empiezan de la misma manera. Comienzan en una nube de gas y polvo llamada nebulosa. Las nebulosas son algunos de los objetos más bellos que se han fotografiado en el espacio, con colores vibrantes de los gases y polvo que contienen, y brillantes centelleantes de las muchas estrellas que se han formado dentro de ellas (Figura\(\PageIndex{2}\)). El gas consiste principalmente en hidrógeno y helio, y el polvo consiste en pequeños granos minerales, cristales de hielo y partículas orgánicas.

Figura\(\PageIndex{2}\) Fotografía de una nebulosa. Los Pilares de la Creación dentro de la Nebulosa Águila vistos con luz visible (izquierda) y luz infrarroja cercana (derecha). La luz infrarroja cercana captura el calor de las estrellas, y nos permite ver estrellas que de otro modo estarían ocultas por el polvo. Es por ello que la imagen de la derecha parece tener más estrellas que la imagen de la izquierda [NASA, ESA, y el Hubble Heritage Team (STSci/aura) http://bit.ly/1Dm2X5a].

Un sistema solar comienza a formarse cuando un pequeño parche dentro de una nebulosa (pequeño para los estándares del universo, es decir) comienza a colapsar sobre sí mismo. Exactamente cómo comienza esto no está claro, aunque podría ser desencadenado por el comportamiento violento de las estrellas cercanas a medida que avanzan en sus ciclos de vida. La energía y la materia liberadas por estas estrellas podrían comprimir el gas y el polvo en los barrios cercanos dentro de la nebulosa. Una vez que se dispara, el colapso de gas y polvo dentro de ese parche continúa por dos razones. Una de esas razones es que la fuerza gravitacional une las moléculas de gas y las partículas de polvo. Pero al principio del proceso, esas partículas son muy pequeñas, por lo que la fuerza gravitacional entre ellas no es fuerte. Entonces, ¿cómo se juntan? La respuesta es que el polvo primero se acumula en grumos sueltos por la misma razón que se forman conejitos de polvo debajo de tu cama: electricidad estática. A medida que el pequeño parche dentro de una nebulosa se condensa, comienza a formarse una estrella a partir del material arrastrado al centro del parche, y el polvo y el gas restantes se asientan en un disco que gira alrededor de la estrella. El disco es donde eventualmente se forman los planetas, por lo que se llama disco protoplanetario. En\(\PageIndex{3}\) la Figura la imagen en la parte superior izquierda muestra la impresión de un artista de un disco protoplanetario, y la imagen en la parte superior derecha muestra un disco protoplanetario real que rodea a la estrella HL Tauri. Observe los anillos oscuros en el disco protoplanetario. Se trata de brechas donde empiezan a formarse planetas. Los anillos están ahí porque los planetas incipientes están empezando a recoger el polvo y el gas en sus órbitas. Hay una analogía para esto en nuestro propio sistema solar, porque los anillos oscuros son similares a los huecos en los anillos de Saturno (Figura\(\PageIndex{3}\), inferior izquierda), donde se pueden encontrar lunas (Figura\(\PageIndex{3}\), inferior derecha).

Figura Discos\(\PageIndex{3}\) protoplanetarios y anillos de Saturno. Arriba izquierda: Una impresión artística de un disco protoplanetario que contiene gas y polvo, rodeando a una nueva estrella. [NASA/ JPL-Caltech, http://1.usa.gov/1E5tFJR] Arriba a la derecha: Una fotografía del disco protoplanetario que rodea a HL Tauri. Se cree que los anillos oscuros dentro del disco son huecos donde los planetas recién formados barren polvo y gas. [ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) http://bit.ly/1KNCq0e]. Inferior izquierda: Una fotografía de Saturno que muestra huecos similares dentro de sus anillos. El punto brillante en la parte inferior es una aurora, similar a la aurora boreal en la Tierra. [NASA, ESA, J. Clarke (Universidad de Boston), y Z. Levay (STSCi) http://bit.ly/1IfSCX5] Abajo a la derecha: una vista en primer plano de una brecha en los anillos de Saturno que muestra una pequeña luna como un punto blanco. [NASA/JPL/Instituto de Ciencias Espaciales, http://1.usa.gov/1g2EeYw].

En general, los planetas se pueden clasificar en tres categorías en función de lo que están hechos (Figura\(\PageIndex{4}\)). Los planetas terrestres son aquellos planetas como la Tierra, Mercurio, Venus y Marte que tienen un núcleo de metal rodeado de roca. Los planetas jovianos (también llamados gigantes gaseosos) son aquellos planetas como Júpiter y Saturno que consisten predominantemente en hidrógeno y helio. Los gigantes de hielo son planetas como Urano y Neptuno que consisten principalmente en hielo de agua, hielo de metano (CH ₄) y hielo de amoníaco (NH ₃), y tienen núcleos rocosos. A menudo, los planetas gigantes de hielo Urano y Neptuno se agrupan con Júpiter y Saturno como gigantes gaseosos; sin embargo, Urano y Neptuno son muy diferentes de Júpiter y Saturno.

Figura\(\PageIndex{4}\) Tres tipos de planetas. Los planetas jovianos (o gigantes gaseosos) como Júpiter consisten principalmente en hidrógeno y helio. Son los más grandes de los tres tipos. Los planetas gigantes de hielo como Urano son los siguientes más grandes. Contienen agua, amoníaco y hielo de metano. Los planetas terrestres como la Tierra son los más pequeños, y tienen núcleos metálicos cubiertos por mantos rocosos. [KP, después de imágenes de dominio público de Francesco A, Wolfman SF (http://bit.ly/1eP75P4) y NASA (http://1.usa.gov/1gFVsf6, http://1.usa.gov/1M89jI3)].

Estos tres tipos de planetas no se mezclan aleatoriamente dentro de nuestro sistema solar. En cambio ocurren de manera sistemática, con planetas terrestres más cercanos al sol, seguidos por los planetas jovianos y luego los gigantes de hielo. Parte de la razón de esta disposición es la línea de escarcha (también conocida como la línea de nieve). La línea de escarcha separaba la parte interna del disco protoplanetario más cerca del sol, donde hacía demasiado calor para permitir que cualquier cosa menos minerales de silicato y metal cristalizaran, desde la parte externa del disco más lejos del Sol, donde estaba lo suficientemente frío como para permitir que se formara hielo. Como resultado, los objetos que se formaron en la parte interna del disco protoplanetario consisten en gran parte de roca y metal, mientras que los objetos que se formaron en la parte exterior consisten en gran parte de gas y hielo. El joven sol también arrasó el sistema solar con fuertes vientos solares (vientos compuestos por partículas energéticas), que ayudaron a impulsar moléculas más ligeras hacia la parte externa del disco protoplanetario.

Los objetos en nuestro sistema solar formados por acreción. Al principio de este proceso, las partículas minerales y de roca se recolectaron en grupos esponjosos debido a la electricidad estática. A medida que aumentaba la masa de los grumos, la gravedad se hizo más importante, arrastrando el material de más lejos y haciendo crecer estas masas sólidas en cuerpos cada vez más grandes. Eventualmente la masa de los objetos se hizo lo suficientemente grande como para que su gravedad fuera lo suficientemente fuerte como para colgarse de moléculas de gas, porque las moléculas de gas son muy ligeras.

Nuestra Tierra se formó a través de este proceso de acreción hace unos 4.6 mil millones de años. La Tierra primitiva estaba muy caliente y tenía una composición fundida y fluida, con pérdida de actividad geológica y volcánica en la superficie. El calor de la Tierra vino de una variedad de procesos:

• El calor vino de la desintegración de los elementos radiactivos dentro de la Tierra, específicamente la desintegración de 235U, 238U, 40K y 232Th, que están principalmente presentes en el manto. El calor total producido de esa manera ha ido disminuyendo con el tiempo (debido a que estos isótopos se están agotando), y ahora es aproximadamente el 25% de lo que era cuando se formó la Tierra. Esto significa que el interior de la Tierra se está enfriando lentamente.
• El calor vino de la energía térmica ya contenida dentro de los objetos que se acumularon para formar la Tierra.
• El calor vino de colisiones. Cuando los objetos golpearon la Tierra, parte de la energía de su movimiento se convirtió en la Tierra deformante, y parte de ella se transformó en calor. (La peor colisión que experimentó la Tierra fue con un planeta llamado Theia, que era aproximadamente del tamaño de Marte. No mucho después de que se formó la Tierra, Theia golpeó la Tierra. Cuando Theia se estrelló contra la Tierra, el núcleo metálico de Theia se fusionó con el núcleo de la Tierra, y los escombros de las capas externas de silicato fueron arrojados al espacio, formando un anillo de escombros alrededor de la Tierra. El material dentro del anillo se fusionó en un nuevo cuerpo en órbita alrededor de la Tierra, dándonos nuestra luna. Sorprendentemente, ¡los escombros pueden haberse unido en 10 años o menos! Este escenario para la formación de la luna se llama la hipótesis de impacto gigante).
• A medida que la Tierra se hizo mayor, su fuerza gravitacional se hizo más fuerte. Esto incrementó la capacidad de la Tierra para atraer objetos hacia ella, pero también provocó que el material que hacía la Tierra se comprimiera, más bien como la Tierra dándose un abrazo gravitacional gigante. La compresión hace que los materiales se calienten.

El calentamiento tuvo una consecuencia muy importante para la estructura de la Tierra. A medida que la Tierra crecía, recolectó una mezcla de granos minerales de silicato así como hierro y níquel. Estos materiales estaban dispersos por toda la Tierra. Eso cambió cuando la Tierra comenzó a calentarse: se puso tan caliente que tanto los minerales de silicato como los metales se derritieron. El fundido metálico era mucho más denso que el mineral de silicato fundido, por lo que el metal fundido se hundió hasta el centro de la Tierra para convertirse en su núcleo, y el fundido de silicato se elevó hacia arriba para convertirse en la corteza y el manto de la Tierra. En otras palabras, la Tierra se desmezcló. La separación de minerales de silicato y metales en una capa exterior rocosa y un núcleo metálico, respectivamente, se llama diferenciación. Desde entonces, la gravedad ha llevado a la Tierra a una forma casi esférica con un radio de 6371 km, y una circunferencia de unos 40,000 km. Sin embargo, no es una esfera perfecta, ya que la rotación de la Tierra provoca un abultamiento ecuatorial, de manera que la circunferencia de la Tierra es 21 km (0.3%) más ancha en el ecuador que polo a polo. Así es técnicamente un “esferoide oblato”.

Si tuviéramos que hacer un inventario de los elementos que componen la Tierra, encontraríamos que el 95% de la masa de la Tierra proviene de sólo cuatro elementos: oxígeno, magnesio, silicio y hierro. La mayor parte del 5% restante proviene de aluminio, calcio, níquel, hidrógeno y azufre. Sabemos que el Big Bang fabricaba hidrógeno, helio y litio, pero ¿de dónde provienen el resto de los elementos? La respuesta es que los demás elementos fueron hechos por estrellas. El calor y la presión dentro de las estrellas hacen que átomos más pequeños se aplasten y se fusionen en átomos nuevos y más grandes. Por ejemplo, cuando los átomos de hidrógeno se rompen y se fusionan, se forma helio. Grandes cantidades de energía se liberan cuando algunos átomos se fusionan y esa energía es lo que hace que las estrellas brillen.

Se necesitan estrellas más grandes para hacer elementos tan pesados como el hierro y el níquel. Nuestro Sol es una estrella promedio; después de que agota su combustible de hidrógeno para hacer helio, y luego parte de ese helio se fusiona para hacer pequeñas cantidades de berilio, carbono, nitrógeno, oxígeno y flúor, estará al final de su vida útil. Dejará de hacer átomos y se enfriará e hinchará hasta que su centro alcance la órbita de Marte. En contraste, las grandes estrellas terminan sus vidas de manera espectacular, explotando como supernovas y arrojando al espacio átomos recién formados —incluidos los elementos más pesados que el hierro—. Se necesitaron muchas generaciones de estrellas creando elementos más pesados y lanzándolos al espacio antes de que los elementos más pesados fueran lo suficientemente abundantes como para formar planetas como la Tierra.

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*” Geología Física” de Steven Earle utilizada bajo licencia internacional CC-BY 4.0. Descarga este libro gratis en http://open.bccampus.ca