Los investigadores sugieren que el agua de la Tierra puede haberse originado a partir de interacciones entre las atmósferas ricas en hidrógeno y los océanos de magma de los primeros embriones planetarios que finalmente formaron la Tierra. Su trabajo, que utilizó nuevos modelos de formación de planetas informados por el reciente aumento en la investigación de exoplanetas, demostró que estas interacciones podrían explicar características clave de la composición de la Tierra, como la abundancia de agua y el estado oxidado general, sin depender necesariamente de otras fuentes de agua.

Los exoplanetas recién descubiertos contribuyen al desarrollo de un modelo novedoso que ofrece posibles explicaciones sobre el origen de algunas de las características distintivas de la Tierra, como la abundancia de agua.

Una nueva investigación de Anat Shahar de Carnegie Science, junto con Edward Young y Hilke Schlichting de UCLA, sugiere que el agua que se encuentra en nuestro planeta puede haberse originado a partir de la interacción entre las atmósferas ricas en hidrógeno y los mares de lava fundida de los primeros cuerpos planetarios que constituyeron los primeros etapas de la formación de la Tierra. Su investigación, que podría arrojar luz sobre el origen de algunas de las características definitorias de la Tierra, se publicó recientemente en la revista Nature.

Históricamente, nuestra comprensión de la formación planetaria estuvo influenciada en gran medida por el ejemplo de nuestro propio Sistema Solar. Aunque la génesis de los gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno aún genera debates entre los científicos, existe un amplio consenso en que la Tierra y otros planetas terrestres se formaron a partir de la acumulación de polvo y gas que alguna vez orbitó alrededor de nuestro Sol en su juventud.

A medida que objetos cada vez más grandes chocaban entre sí, los planetesimales bebés que eventualmente formaron la Tierra se hicieron más grandes y más calientes, derritiéndose en un vasto océano de magma debido al calor de las colisiones y los elementos radiactivos. Con el tiempo, a medida que el planeta se enfriaba, el material más denso se hundió hacia adentro, separando la Tierra en tres capas distintas: el núcleo metálico y el manto y la corteza rocosos de silicato.

Una ilustración que muestra cómo algunas características distintivas de la Tierra, como su abundancia de agua y su estado oxidado general, podrían atribuirse potencialmente a las interacciones entre las atmósferas de hidrógeno molecular y los océanos de magma en los embriones planetarios que comprendieron los años formativos de la Tierra. Crédito: Ilustración de Edward Young/UCLA y Katherine Cain/Instituto Carnegie para la Ciencia.

Sin embargo, la explosión de la investigación de exoplanetas durante la última década informó un nuevo enfoque para modelar el estado embrionario de la Tierra.

“Los descubrimientos de exoplanetas nos han dado una apreciación mucho mayor de lo común que es que los planetas recién formados estén rodeados de atmósferas ricas en hidrógeno molecular, H2, durante sus primeros millones de años de crecimiento”, explicó Shahar. “Eventualmente, estas envolturas de hidrógeno se disipan, pero dejan sus huellas dactilares en la composición del joven planeta”.

Usando esta información, los investigadores desarrollaron nuevos modelos para la formación y evolución de la Tierra para ver si los rasgos químicos distintivos de nuestro planeta natal podrían replicarse.

Usando un modelo recientemente desarrollado, los investigadores de Carnegie y UCLA pudieron demostrar que en los inicios de la existencia de la Tierra, las interacciones entre el océano de magma y una protoatmósfera de hidrógeno molecular podrían haber dado lugar a algunas de las características distintivas de la Tierra, como su abundancia de agua. y su estado general de oxidación.

Los investigadores utilizaron modelos matemáticos para explorar el intercambio de materiales entre las atmósferas de hidrógeno molecular y los océanos de magma al observar 25 compuestos diferentes y 18 tipos diferentes de reacciones, lo suficientemente complejos como para producir datos valiosos sobre la posible historia formativa de la Tierra, pero lo suficientemente simples como para interpretarlos completamente.

Las interacciones entre el océano de magma y la atmósfera en su 𝑏𝑎𝑏𝑦 Tierra simulada dieron como resultado el movimiento de grandes masas de hidrógeno hacia el núcleo metálico, la oxidación del manto y la producción de grandes cantidades de agua.

Incluso si todo el material rocoso que chocó para formar el planeta en crecimiento estuviera completamente seco, estas interacciones entre la atmósfera de hidrógeno molecular y el océano de magma generarían grandes cantidades de agua, revelaron los investigadores. Otras fuentes de agua son posibles, dicen, pero no necesarias para explicar el estado actual de la Tierra.

“Esta es solo una posible explicación de la evolución de nuestro planeta, pero que establecería un vínculo importante entre la historia de formación de la Tierra y los exoplanetas más comunes que se han descubierto orbitando estrellas distantes, que se llaman Súper-Tierras y sub-Neptunos”, dijo Shahar. concluyó.

Este proyecto fue parte del proyecto AEThER interdisciplinario y multiinstitucional, iniciado y dirigido por Shahar, que busca revelar la composición química de los planetas más comunes de la galaxia de la Vía Láctea (Super-Tierras y sub-Neptunos) y desarrollar un marco para detectando firmas de vida en mundos distantes. Financiado por la Fundación Alfred P. Sloan, este esfuerzo se desarrolló para comprender cómo la formación y evolución de estos planetas dan forma a sus atmósferas. Esto podría, a su vez, permitir a los científicos diferenciar biofirmas verdaderas, que solo podrían ser producidas por la presencia de vida, de moléculas atmosféricas de origen no biológico.

“Telescopios cada vez más potentes están permitiendo a los astrónomos comprender la composición de las atmósferas de los exoplanetas con detalles nunca antes vistos”, dijo Shahar. “El trabajo de AEThER informará sus observaciones con datos experimentales y de modelado que, esperamos, conduzcan a un método infalible para detectar signos de vida en otros mundos”.

Referencia: “La Tierra formada por atmósferas primordiales de H2” por Edward D. Young, Anat Shahar y Hilke E. Schlichting, 12 de abril de 2023, Naturem>.DOI: 10.1038/s41586-023-05823-0

El estudio fue financiado, en parte, por la Fundación Alfred P. Sloan.