Hace unos 4500 millones de años, un pequeño planeta del tamaño de Marte colisionó contra la joven Tierra, lanzando rocas fundidas al espacio. Poco a poco, esos restos se unieron, se enfriaron y solidificaron, formando nuestra Luna. La mayoría de los científicos coinciden en esta hipótesis.

Pero los detalles de cómo ocurrió exactamente son «más propios de una novela de aventuras», según los investigadores del Laboratorio Planetario y Lunar (LPL) de la Universidad de Arizona (Estados Unidos) que esta semana, junto a colegas chinos, publican un artículo en la revista Nature Geoscience. La cristalización de los materiales de la Luna duró unos cientos de millones de años, y así se formaron la corteza exterior brillante que vemos hoy en día y un manto bajo la superficie.

Vuelco global del manto

El último magma en cristalizar estaba muy enriquecido en minerales pesados, como la ilmenita, rica en titanio, que quedaron atrapados en la parte superior del manto lunar. Como estos minerales eran más densos que los del interior, los primeros se hundieron, provocando un vuelco global durante el cual el manto lunar se volvió del revés: «La parte superior se hundió hacia el interior, y la inferior se elevó», comenta a SINC uno de los autores, Adrien Broquet.

Los minerales ricos en titanio se hundieron profundamente, pero luego se calentaron cerca del núcleo lunar y volvieron a la superficie. Este acontecimiento dinámico primordial determinó el destino de nuestro satélite y afectó profundamente a sus millones de años posteriores de evolución geológica.

Los astronautas del programa Apolo trajeron rocas de lava basáltica de la Luna con concentraciones sorprendentemente altas de titanio. Imagen: NASA.

La teoría del vuelco lunar es una de las interpretaciones tradicionales de la evolución de la Luna, pero hasta ahora se basaba en modelos matemáticos y análisis químicos de las muestras lunares –con concentraciones sorprendentemente altas de titanio– que trajeron los astronautas de las misiones Apolo hace más de 50 años.

«Nuestra Luna se volvió literalmente del revés», subraya el coautor Jeff Andrews-Hanna, también del LPL, «pero ha habido pocas pruebas físicas para arrojar luz sobre la secuencia exacta de los acontecimientos durante esta fase crítica de la historia lunar, y hay mucho desacuerdo en los detalles de lo que pasó».

En un estudio anterior, dirigido por Nan Zhang, de la Universidad de Pekín (China), que también participa en este nuevo artículo, los modelos predecían que la densa capa de material rico en titanio bajo la corteza había migrado primero a la cara cercana de la Luna, posiblemente provocada por un impacto gigante en la cara oculta o lejana, y luego se había hundido en el interior en una red de placas, cayendo en cascada hacia el interior lunar casi como una catarata.

Pero cuando ese material se hundió, dejó tras de sí un pequeño remanente en un patrón geométrico con líneas cruzadas de material denso rico en titanio bajo la corteza.

«Cuando vimos esas predicciones del modelo, fue como si se encendiera una bombilla», apunta Andrews-Hanna, «porque vemos exactamente el mismo patrón al observar las sutiles variaciones en el campo gravitatorio de la Luna, que revela una red de material denso que acecha bajo la corteza».

Simulaciones y anomalías gravitatorias

En el nuevo estudio, los autores han comparado dos aspectos. Por un lado, los resultados obtenidos al simular una capa rica en ilmenita que se hunde. Por otro, el conjunto de anomalías gravitatorias lineales detectadas por la misión GRAIL de la NASA, cuyas dos naves orbitaron la Luna entre 2011 y 2012. Estas anomalías lineales rodean una vasta región oscura de la cara cercana lunar, conocida como mares o mare, cubiertos de flujos volcánicos.

«Los mares son flujos volcánicos, algunos de los cuales son ricos en titanio. Hasta hoy, no sabíamos exactamente de dónde procedía este elemento, pero nuestro trabajo apoya un origen profundo y primordial que se remonta al vuelco», detalla Broquet.

Los investigadores también descubrieron que las señales gravitatorias medidas por la misión GRAIL concuerdan con las simulaciones de la capa de ilmenita, y que el campo gravitatorio puede utilizarse para trazar la distribución de los restos de ese mineral que quedan tras el hundimiento de la mayor parte de la capa densa.

«Nuestro trabajo demuestra que estas anomalías gravitatorias, hasta ahora enigmáticas, se deben a la presencia de rocas primordiales ricas en titanio, situadas a unos 30 km por debajo de la superficie, que son los vestigios de la Luna volviéndose del revés hace más de 4000 millones de años», afirma Broquet, «así pues, nuestro estudio aporta las primeras pruebas físicas del modelo de vuelco».

Imagen de la cara visible de la Luna, mapa de concentración de dióxido de titanio (TiO2) , mapa del gradiente de gravedad (con patrones poligonales de anomalías gravitatorias lineales que se interpretan como los vestigios de los descensos del material con ilmenita que sobrevivieron a 4.000 millones de años de evolución geodinámica lunar) y sección transversal que muestra dos de estos ‘acumulados’ de ilmenita procedentes del vuelco del manto lunar. Imagen: Adrien Broquet (LPL) & Audrey Lasbordes.

El primer autor, Weigang Liang, coincide en que «nuestros análisis muestran que los modelos y los datos cuentan una historia muy coherente. Los materiales de ilmenita emigraron a la cara cercana y se hundieron en el interior en cascadas similares a láminas, dejando tras de sí un vestigio que causa anomalías en el campo gravitatorio de la Luna, tal y como ha observado GRAIL».

Las observaciones del equipo también limitan cuándo sucedió este acontecimiento. Las anomalías lineales de gravedad están interrumpidas por las mayores y más antiguas cuencas de impacto en el lado que vemos de la Luna y, por tanto, debieron formarse antes.

Basándose en esto, los autores señalan que la capa rica en ilmenita se hundió antes de hace 4220 millones de años, lo que concuerda con su contribución al vulcanismo posterior observado en la superficie lunar, y con las rocas ricas en titanio encontradas. Aún así, quedan cuestiones pendientes, como la marcada asimetría entre la cara visible de la luna y la oculta.

En cualquier caso, «nuestros análisis de los datos gravitatorios permiten determinar parámetros críticos para la teoría del vuelco, incluida la escala temporal en la que se produjo y la viscosidad, o capacidad de fluir, del interior poco después de que se formara la Luna», destaca Broquet, quien adelanta: «Futuras misiones, por ejemplo con una red sísmica, permitirían investigar mejor la geometría de estas estructuras».

Nuevos datos con las misiones Artemis

Por su parte, Liang concluye que «cuando los astronautas de las misiones Artemis aterricen finalmente en la Luna para iniciar una nueva era de exploración humana, tendremos una comprensión de nuestro vecino muy diferente a la que teníamos cuando los astronautas del Apolo la pisaron por primera vez».

Estructuras termoquímicas tras 64 millones de años de evolución geodinámica lunar. Los acumulados de ilmenita se muestran en verde y la anomalía térmica en marrón. El lado cercano de la Luna está situado en la parte superior derecha. Imagen: Adrien Broquet (LPL) / Nan Zhang (PKU).

«Está previsto que la misión Artemis aterrice en Aitken, una cuenca de impacto gigante situada cerca del polo sur de la Luna –añade Boquet–, y se recogerán muestras que se datarán con gran precisión después de traerlas a la Tierra. Nuestro trabajo proporciona información sobre cuándo se formó esta gigantesca cuenca, pero conocer su edad exacta nos permitiría afinar la historia del vuelco, incluido el acontecimiento que lo desencadenó y su duración».

Referencia: 

Weigang Liang et al. ‘Vestiges of a lunar ilmenite layer following mantle overturn revealed by gravity data’. Nature Geoscience