La historia de un grano de polvo de 4.500 millones de años

Los meteoritos encierran unos diminutos granos denominados CAI, que podrían ser algunos de los primeros materiales sólidos del Sistema Solar. Gracias a una nanosonda, investigadores de la Universidad de California en Berkeley (EE.UU) han podido analizar los isótopos de oxígeno de una de estas inclusiones y rastrear su historia desde los primeros tiempos del Sistema Solar.

Imagen de rayos X en falso color del borde de un CAI de
la condrita Allende. Crédito: Erick Ramon y Justin Simon

Los científicos han realizado un análisis con microsonda del núcleo y las capas externas de un trozo de meteorito del tamaño de un guisante y unos 4.570 millones de años de antigüedad para reconstruir la historia de su formación, lo que nos ofrece la primera prueba de que las partículas de polvo como esta estuvieron expuestas a unos entornos tremendamente cambiantes durante los años en que se formaron los planetas de nuestro sistema solar.
Los investigadores interpretan estos hallazgos como una prueba de que los granos de polvo recorrieron grandes distancias mientras el remolino de la nebulosa protoplanetaria se condensaba para dar lugar a los planetas. El único grano de polvo que se ha estudiado parece haberse formado en el entorno caliente del Sol. Podría haber sido expulsado del plano del sistema solar para volver a caer en el cinturón de asteroides y, finalmente, habría vuelto a circular hacia el Sol.
Esta odisea es coherente con algunas teorías sobre los granos de polvo formados en la nebulosa protoplanetaria inicial, o próplido, que finalmente serían las semillas para la formación de los planetas.
"Esto tiene consecuencias para el modo en que nuestro sistema solar y posiblemente otros sistemas solares se formaron y evolucionaron", dice Justin I. Simon, un antiguo becario de postdoctorado de la Universidad de California en Berkeley (EE UU), que ha dirigido la investigación.
"Hay algunos modelos astrofísicos que intentan explicar la dinámica de formación de los planetas en un disco protoplanetario, pero todos ellos tienen que explicar las peculiaridades que hemos encontrado en este meteorito", añade.
"Justin no solo ha demostrado que este grano de polvo se desplazó por el sistema solar recorriendo distancias bastante grandes, sino también que había visitado todos los sitios posibles en los que podría haber estado en el sistema solar", afirma Donald J. DePaolo, catedrático de Ciencias Terrestres y Planetarias de la Universidad de California en Berkeley y director del Centro de Geoquímica de Isótopos.
Simon, que ahora es investigador de la Oficina de Investigación de Astromateriales en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, Texas, junto con DePaolo y otros compañeros del Laboratorio Nacional Livermore (LLNL) y la Universidad de Chicago publican sus hallazgos en el primer número de marzo de la revista Science.
Las CAI de los meteoritos
Los meteoritos han intrigado a los científicos del espacio durante más de cien años porque contienen minerales que solo podrían formarse en entornos fríos, así como minerales modificados en entornos calientes. Las condritas carbonáceas, en concreto, contienen cóndrulos milimétricos y CAI (inclusiones ricas en calcio y aluminio) de hasta un centímetro que en su día se calentaron hasta el punto de fusión y luego se amalgamaron con polvo estelar frío.
"Estos meteoritos primitivos son como cápsulas del tiempo que contienen los materiales más primitivos de nuestro sistema solar", explica Simon. "Las CAI son unos de los componentes más interesantes de los meteoritos. Registraron la historia del sistema solar antes de que se formasen los planetas y fueron los primeros sólidos condensados a partir de la nebulosa gaseosa que rodeaba nuestro Sol primitivo".
Quizás la teoría más popular para explicar la composición de los cóndrulos y las CAI es la llamada teoría del viento en X propuesta por Frank Shu, astrónomo que también trabajó en la Universidad de California en Berkeley. Shu describió el disco protoplanetario inicial como una lavadora, con los poderosos campos magnéticos del Sol agitando el gas y el polvo y lanzando los granos de polvo formados cerca del sol hacia fuera del disco.
Una vez expulsados del disco, los granos eran empujados hacia fuera y caían como lluvia en el sistema solar exterior. Estos granos, tanto cóndrulos rápidamente calentados como CAI lentamente calentados, se incorporaban finalmente junto con el polvo no calentado a los asteroides y planetas.
"Hay problemas en los detalles de este modelo, pero es un esquema útil para tratar de comprender cómo un material originalmente formado cerca del Sol puede terminar fuera, en el cinturón de asteroides", señala el cosmoquímico y coautor Ian D. Hutcheon, subdirector del Instituto Glenn T. Seaborg del LLNL.
Las teorías alternativas explican la composición de los meteoritos por el polvo que se mueve desde el sistema solar interior hasta el exterior sin salir del plano del disco.
Microsonda iónica para analizar isótopos de oxígeno
Simon formó equipo con Hutcheon para usar una microsonda iónica relativamente nueva llamada NanoSIMS (espectrómetro de masas iónico secundario) para muestrear la composición de los isótopos del oxígeno de una CAI con una resolución aproximada de dos micras, alrededor de un cuarto del diámetro de un glóbulo rojo.
Como la abundancia relativa de los isótopos del oxígeno variaba en el disco protoplanetario, es posible determinar dónde se formó un mineral basándose en las abundancias relativas de los isótopos oxígeno-16 (16O) y oxígeno-17 (17O).
"El espectrómetro NanoSIMS hizo posible este estudio al permitirnos analizar la composición isotópica del oxígeno a una escala muy pequeña", explica Hutcheon. Esto contrasta con los estudios anteriores de composición isotópica de las CAI, que conllevaban el muestreo de superficies mucho mayores.
Simon eligió una CAI (llamadas así por la gran abundancia de calcio y aluminio) del tamaño de un guisante procedente del meteorito Allende, la condrita carbonácea más grande que se ha encontrado en la Tierra. Con un tamaño que se calcula que pudo haber sido como el de un coche, se fracturó al atravesar la atmósfera en su caída en 1969, y dejó sobre el suelo de Chihuahua, México, una lluvia de cientos de trozos, muchos de ellos recogidos para su posterior estudio.
"Elegí la CAI de Allende porque la mayoría de lo que sabemos sobre las CAI proviene del meteorito Allende y, por tanto, cualquier dato que encontrase probablemente reflejaría las historias de las CAI en general", dice Simon.
Tras seccionar la pequeña CAI, Simon y Hutcheon sondearon su núcleo y las cuatro capas diferentes de minerales que se habían formado a lo largo del borde del núcleo como capas de una cebolla.
Encontraron que la abundancia de 17O aumentaba de fuera hacia dentro del núcleo, lo que indicaba que la CAI se había formado originalmente en el sistema solar interior, donde el 16O era más abundante, pero después se había alejado del Sol, donde las capas externas de la CAI perdieron 16O en el gas pobre en 16O del entorno.
El grano volvió al interior del Sistema Solar
Les soprendió, sin embargo, que la primera capa mineral de fuera del núcleo tuviese más 16O, lo que significaba que el grano había vuelto posteriormente al interior del Sistema Solar. Las otras capas también tenían niveles de isótopos que indicaban que se habían formado más cerca del Sol, en zonas donde tenían una menor exposición al gas pobre en 16O a partir del cual se formaron los planetas terrestres.
"Si uno fuese este grano, habría nacido cerca del Sol primitivo, luego probablemente se habría movido hacia fuera hasta una zona de formación de planetas y después habría vuelto al sistema solar interior o quizás habría salido del plano del disco", explica Simon. "Por supuesto, uno habría terminado formando parte de un meteorito, quizás en el cinturón de asteroides, antes de fracturarse y caer sobre la Tierra".
En relación con los planetas actuales, el grano probablemente se formó dentro de la órbita de Mercurio, se desplazó hacia fuera a través de la región de formación de planetas hasta el cinturón de asteroides situado entre Marte y Júpiter, y luego viajó de vuelta al Sol.
"Podría haber seguido una trayectoria similar a lo que propone el modelo del viento en X", dice Hutcheon. "Aunque después de que el grano de polvo saliese hacia el cinturón de asteroides o más allá, tuvo que encontrar el camino de vuelta. Eso es algo que el modelo del viento en X no explica".
Simon prevé abrir y sondear otras CAI con el espectrómetro NanoSIMS para determinar si esta CAI en concreto (conocida como A37) es única o parecida a las demás.
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