Los cometas influyeron en la formación de la atmósfera de la Tierra

Con la difícil detección por parte de Rosetta de varios isótopos de xenón en el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, la misión de la ESA ha establecido la primera relación cuantitativa entre los cometas y la atmósfera de la Tierra. La combinación de este gas noble encontrada en el cometa resulta muy parecida al xenón U, la mezcla primigenia que, según los científicos, habría llegado a nuestro planeta mientras comenzaba a formarse el Sistema Solar. Estas mediciones sugieren que los cometas aportaron aproximadamente un quinto de la cantidad de xenón que se encontraba en la antigua atmósfera terrestre.

El xenón —un gas incoloro e inodoro que conforma menos de una milmillonésima parte del volumen de la atmósfera de la Tierra— podría ser la respuesta a una cuestión sobre los cometas que viene de largo: ¿contribuyeron a la aportación de materia a nuestro planeta cuando el Sistema Solar aún estaba formándose, hace unos 4.600 millones de años? Y si fuera así, ¿en qué cantidad?

Este gas noble se forma en distintos procesos estelares, desde las últimas fases de estrellas de masas baja e intermedia hasta explosiones de supernovas e incluso fusiones de estrellas de neutrones. Cada uno de estos fenómenos da lugar a distintos isótopos de este elemento [1]. Al ser un gas noble, el xenón no interactúa con otros elementos químicos, por lo que es un marcador importante de la materia que dio origen al Sol y a los planetas, y que a su vez procedería de las generaciones más antiguas de estrellas.

“El xenón es el gas noble estable más pesado y quizá el más importante, debido a los muchos isótopos que origina en distintos procesos estelares: cada uno de ellos ofrece información adicional sobre nuestros orígenes cósmicos” explica Bernard Marty, del Centro de Investigación Petrográfica y Geoquímica (CRPG) del CNRS y la Universidad de Lorraine, Francia. Bernard es el autor principal de un artículo sobre el descubrimiento de xenón por parte de Rosetta en el cometa 67P/C-G, publicado el 9 de junio de 2017 en Science [2].

Y es precisamente esta ‘huella’ especial la que ha hecho que los científicos empleen el xenón para investigar la composición de Sistema Solar temprano, al ofrecer claves para acotar su formación. A lo largo de las últimas décadas, han tomado muestras de sus distintos isótopos en varios lugares: en la atmósfera de la Tierra y de Marte, en meteoritos procedentes de asteroides, en Júpiter y en el viento solar, el flujo de partículas cargadas que escapa del Sol.

Xenón a través del Sistema Solar

La combinación de xenón presente en la atmósfera de nuestro planeta contiene mayor cantidad de isótopos pesados que de isótopos ligeros; no obstante, esto se debe a que los elementos más leves escapan con mayor facilidad de la atracción gravitacional de la Tierra, perdiéndose en el espacio. Al corregir la composición atmosférica del xenón para tener en cuenta este efecto de escape, en los años setenta, los científicos calcularon la composición de la mezcla primigenia de este gas noble, conocida como xenón U, que una vez estuvo presente en la Tierra.

Este xenón U contenía una mezcla similar de isótopos ligeros a la de los asteroides y el viento solar, pero incluía unas cantidades significativamente menores de isótopos pesados.

“Por estos motivos, sospechamos desde hace mucho tiempo que el xenón en la atmósfera temprana de la Tierra podría tener un origen distinto al del promedio de este gas noble que se encuentra en el Sistema Solar”, comenta Bernard.

Una de las explicaciones es que el xenón del Sistema Solar procedería directamente de la nube protosolar, una masa de gas y polvo que dio lugar al Sol y a los planetas, mientras que el xenón que se encuentra en la atmósfera terrestre habría llegado a nuestro planeta en una etapa posterior, a través de cometas que, a su vez, estarían formados por una combinación de materia diferente.

La nube protosolar

Gracias a la visita de la sonda Rosetta de la ESA al cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, un fósil helado del antiguo Sistema Solar, los científicos finalmente pudieron recopilar los datos que llevaban buscando tanto tiempo para corroborar esta hipótesis.

“La búsqueda de xenón en el cometa fue una de las mediciones más difíciles y cruciales que llevamos a cabo con Rosetta”, reconoce Kathrin Altwegg, de la Universidad de Bern, Suiza, e investigadora principal de ROSINA, el Espectrómetro del Orbitador Rosetta para el Análisis de Iones y Partículas Neutras utilizado para este estudio.

El xenón es muy difuso en la delgada atmósfera del cometa, por lo que el equipo de navegación tuvo que volar a Rosetta a muy poca distancia —entre 5 y 8 km de la superficie del núcleo— durante un periodo de tres semanas para que ROSINA lograra una detección significativa de todos los isótopos relevantes.

Volar tan cerca del cometa era todo un reto debido a la gran cantidad de polvo que en aquellos momentos se levantaba de la superficie, que podía confundir a los sensores estelares utilizados para orientar la nave.

Finalmente, el equipo de Rosetta decidió llevar a cabo esta operación en la segunda mitad de mayo de 2016. Este periodo se escogió a modo de compromiso, de forma que hubiera pasado tiempo suficiente desde el perihelio del cometa, en agosto de 2015, para que la actividad del polvo fuera menos intensa, pero sin que el tiempo transcurrido fuera tanto como para que la atmósfera fuera demasiado delgada y dificultara la detección del xenón.

Como resultado de las observaciones, ROSINA identificó siete isótopos de xenón, además de varios isótopos de otro gas noble, el criptón; así, son tres los gases nobles detectados en el cometa, ya que las mediciones realizadas a finales de 2014 descubrieron la presencia de argón.

“Para llevar a cabo estas mediciones tuvimos que dedicar mucho tiempo exclusivamente a ROSINA, por lo que habría sido una gran decepción si no hubiéramos descubierto xenón en el cometa. Así, me alegra mucho que tuviéramos éxito en la detección de tantos isótopos”, añade Kathrin.

Un análisis más detallado de los datos reveló que la mezcla de xenón en el cometa, que contiene mayores cantidades de isótopos ligeros que de isótopos pesados, es muy diferente de la mezcla habitual en el Sistema Solar. Una comparación con la muestra de calibración a bordo confirmó que el xenón detectado en el cometa también era distinto de la mezcla que se encuentra en la atmósfera terrestre.

En efecto, la composición del xenón detectado en el cometa parece acercarse más a la composición que los científicos creen que estaría presente en la atmósfera temprana de nuestro planeta.

“Se trata de un resultado muy prometedor, ya que es el primer descubrimiento de un candidato a favor de la hipótesis del xenón U”, señala Bernard.

“Hay algunas discrepancias entre las dos composiciones, lo que indica que el xenón primigenio que llegó a nuestro planeta podría proceder de una combinación de cometas y asteroides que impactaron en él”.

En particular, Bernard y sus colegas pudieron establecer el primer vínculo cuantitativo entre los cometas y el velo gaseoso de la Tierra: basándose en las medidas de Rosetta en 67P/Churyumov-Gerasimenko, el 22% del xenón presente una vez en la atmósfera terrestre podría proceder de cometas, mientras que el resto habría llegado a través de asteroides.

Este resultado no contradice las mediciones isotópicas de agua en el cometa, que fueron muy distintas a las medidas en la Tierra. De hecho, dada la poca presencia del xenón en la atmósfera terrestre y la cantidad mucho mayor de agua en los océanos, los cometas podrían haber contribuido al xenón de la atmósfera sin tener un impacto significativo en la composición del agua de los océanos.

En cambio, la contribución inferida a partir de las mediciones de xenón reafirma la posibilidad de que los cometas hubieran sido responsables de transportar material prebiótico —como fósforo y el aminoácido glicina, también detectados por Rosetta en el cometa—, crucial para que surgiera vida en la Tierra.