Los grandes misterios del universo suelen girar en torno a fenómenos lejanos e invisibles. Los científicos se preguntan por las inexplicables ráfagas de ondas de radio, la naturaleza esquiva de la gravedad y si la energía oscura invade el cosmos. Pero hay otros enigmas que se encuentran en nuestro propio rincón de la galaxia y que nos miran a la cara, como por ejemplo cómo la Tierra se convirtió en el planeta que es hoy.
Esta cuestión sigue fascinando a los investigadores que trabajan para entender cómo se formó la Tierra y por qué es tan adecuada para albergar vida. El resultado podría haber sido diferente: basta con mirar a nuestro vecino más cercano y casi gemelo, Venus, que no tiene agua líquida y cuya superficie está a unos sofocantes 870 grados Fahrenheit. «Venus y la Tierra son una especie de caso de control definitivo», dice Sue Smrekar, del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. «No entendemos del todo cómo la Tierra acabó siendo tan habitable y Venus tan inhabitable».
Esto es un poco sorprendente, dado que la Tierra es, con mucho, el planeta mejor estudiado del universo. Pero los procesos geológicos, como la tectónica de placas, reciclan constantemente las pruebas del pasado, y gran parte de la información fundamental sobre la composición de la Tierra se encuentra oculta en sus vastas e inaccesibles profundidades. «Se trata de comprender un planeta del que sólo se pueden tomar muestras en la superficie», afirma James Badro, geofísico del Instituto de Física de la Tierra de París. Aunque los científicos han extraído una gran cantidad de conocimientos del estudio del suelo bajo nuestros pies, la historia completa de la construcción y la evolución de la Tierra sigue siendo desconocida.
Por ello, los investigadores han recurrido a los cielos en busca de ayuda. Han estudiado otros sistemas estelares en busca de pistas, y han buscado los bloques de construcción de la Tierra entre los detritos del sistema solar. Ahora, un conjunto de misiones espaciales planificadas y propuestas podría ayudar a los científicos a completar más piezas que faltan.
Desde el estudio de nuevos aspectos de los cuerpos protoplanetarios hasta la búsqueda de su procedencia y de cómo se mezclaron, los investigadores esperan poder precisar los procesos de formación planetaria que crearon la Tierra. Para muchos, se trata tanto de una búsqueda filosófica como científica. «Se trata de nuestros orígenes», dice Badro.
Sin embargo, los detalles más sutiles de cómo se formó nuestro vecindario cósmico siguen siendo controvertidos. Por ejemplo, los científicos siguen debatiendo de qué están hechos los planetas. «Sabemos cómo es el pastel», dice Lindy Elkins-Tanton, de la Universidad Estatal de Arizona, «pero nos gustaría saber también cómo son todos esos ingredientes individuales», afirma.
Los científicos creen que los planetas terrestres crecieron engullendo planetesimales más pequeños -objetos de hasta decenas de kilómetros de diámetro que se acumularon a partir de polvo protoplanetario-. Pero la composición y estructura de esos planetesimales ha sido difícil de determinar. El estudio de nuestra colección de meteoritos -fragmentos de asteroides que han caído en la Tierra- es un buen punto de partida, dice Francis Nimmo, científico planetario de la Universidad de California en Santa Cruz. Pero no es suficiente.
Esto se debe a que no tenemos necesariamente muestras de todo lo que cayó en los planetas: algunos componentes pueden faltar o no existir ya. Algunos meteoritos parecen coincidir con la Tierra, pero los científicos no pueden dar con ninguna combinación de tipos de meteoritos que explique completamente la composición química de la Tierra. «Esto es algo incómodo porque significa que no sabemos realmente cómo se formó la Tierra», dice Nimmo.
Elkins-Tanton espera que una futura misión propuesta -una de las cinco finalistas del programa Discovery de la NASA- pueda ayudar. El proyecto, dirigido por Elkins-Tanton, enviaría una nave espacial no tripulada para visitar un objeto llamado Psique, que se encuentra en el cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter. Psique tiene unos 240 kilómetros de ancho y, según las observaciones remotas de su densidad y composición superficial, parece estar hecho de metal sólido. También puede parecerse a los bloques de construcción de la Tierra.
«Este podría ser el pequeño núcleo de un cuerpo que se formó en la región de formación de planetas terrestres y que fue golpeado por muchas otras cosas y su exterior rocoso fue despojado», dice Elkins-Tanton. En la misión Dawn de la NASA, los científicos estudiaron el asteroide Vesta, un protoplaneta que probablemente también se formó cerca de la Tierra y luego fue expulsado al cinturón de asteroides. Sin embargo, es la oportunidad única de ver lo que hay bajo la superficie de objetos como Vesta lo que tiene entusiasmada a Elkins-Tanton.
«Vesta es el único cuerpo del sistema solar que nos permite observar directamente un núcleo metálico», afirma. «Esta podría ser nuestra única oportunidad de observar este tipo de ingrediente». Junto con los demás finalistas del Discovery, Elkins-Tanton y sus colegas sabrán en septiembre si la misión es un éxito.
Según el modelo clásico de formación planetaria, una vez que los planetesimales alcanzaron el tamaño de Psyche -decenas o cientos de kilómetros de diámetro- comenzaron a canibalizar a sus vecinos, dice Kevin Walsh, científico planetario del Instituto de Investigación del Suroeste en Boulder, Colorado. «Los más grandes crecen muy rápido», dice, gracias a su creciente influencia gravitatoria.
Este proceso de acreción desbocada habría reducido el número de cuerpos del sistema solar a un centenar de embriones planetarios del tamaño de una luna o un marte y a un puñado de restos más pequeños. Con el tiempo, estos embriones se combinaron lentamente para formar planetas.
Pero mientras esta explicación funciona bien para los planetas terrestres, que según las pruebas geológicas se formaron en el transcurso de 30 a 100 millones de años, presenta un problema para los gigantes gaseosos como Júpiter. Los científicos creen que los núcleos de estos cuerpos tuvieron que crecer mucho más rápido, lo suficiente como para capturar sus enormes atmósferas del gas presente en el sistema solar primitivo, que se disipó en unos pocos millones de años.
En la última década, los investigadores han desarrollado un mecanismo alternativo para el crecimiento de los planetas conocido como acreción de guijarros. Este mecanismo se aleja del modelo convencional de acreción, en el que los objetos se combinan para formar partículas progresivamente más grandes. O, como dice Hal Levison, colega de Walsh: «Los guijarros hacen rocas, y las rocas hacen montañas… hasta arriba». La acreción de guijarros, en cambio, predice que los objetos pasan de ser bultos del tamaño de un puño a cuerpos del tamaño de Plutón casi inmediatamente, y luego siguen ganando masa, dice Levison, que ayudó a desarrollar la hipótesis.
El proceso habría comenzado poco después de la formación del disco protoplanetario, cuando los trozos de polvo que orbitaban alrededor del joven sol empezaron a colisionar y a pegarse entre sí, como patinadores sincronizados que se dan la mano mientras rodean una pista de hielo. Con el tiempo, las fuerzas aerodinámicas y gravitatorias habrían juntado grandes grupos de estos guijarros, formando planetesimales. Los planetesimales siguieron arrastrando los guijarros restantes a su alrededor, creciendo rápidamente hasta formar planetas.
Además de abordar la cuestión de cómo los gigantes gaseosos crecieron tan rápido, el modelo también proporciona una manera de superar algo llamado la barrera del tamaño del metro, que ha plagado los modelos de acreción planetaria desde que se esbozó por primera vez en la década de 1970. Se refiere al hecho de que una vez que los objetos alcanzan un metro de diámetro, la fricción generada por el gas circundante los habría enviado en espiral hacia el sol. La acreción de guijarros ayuda a que las pequeñas partículas superen el umbral, haciéndolas lo suficientemente grandes como para mantenerse.
Los científicos siguen tratando de entender si este proceso ocurrió en todo el sistema solar y si se habría desarrollado de la misma manera para los planetas interiores y exteriores. (Aunque funciona para los gigantes gaseosos, las últimas etapas de crecimiento rápido no encajan con lo que sabemos sobre la formación de los planetas terrestres). Pero los investigadores podrían encontrar algunas pistas a finales de este año, cuando la misión Juno de la NASA, que llegó con éxito a Júpiter el mes pasado, comience a reunir información sobre la composición y el núcleo del planeta.
Walsh afirma que averiguar la cantidad de material que se encuentra en el centro del gigante gaseoso ayudará a los investigadores a restringir diferentes modelos de acreción planetaria. Si Júpiter tiene un núcleo pequeño, la acreción clásica podría haber sido capaz de construirlo con la suficiente rapidez; si es grande, podría implicar que en su lugar se produjo algo como la acreción de guijarros, dice.
Entender cómo se formó Júpiter también ayudará a los investigadores a comprender los orígenes de los demás planetas, incluida la Tierra. Y es que se ha acusado a Júpiter de entrometerse en la construcción de los planetas rocosos interiores, al menos según una nueva idea desarrollada por Walsh y otros que ha ganado adeptos en los últimos años.
La hipótesis, conocida como el modelo Grand Tack, sugiere que cuando Júpiter terminó de formarse, habría eliminado todo el material que se encontraba en su camino alrededor del sol, abriendo un hueco en el disco protoplanetario. El disco, sin embargo, aún contenía mucho gas y polvo, que presionó hacia el sol cuando el disco se aplanó y estiró, dice Walsh.