Se identifica la estructura volcánica más grande del Sistema Solar como el origen de meteoritos marcianos inusuales

Probablemente, las rocas fueron liberadas del cráter Tooting hace más de un millón de años y ahora están ayudando a los científicos a desentrañar el turbulento pasado del planeta rojo.

Por Robin George Andrews
Publicado 29 nov 2021 11:23 GMT-3
Martian Meteorites

Los colores de este mapa global de Marte representan áreas con diferentes tamaños de cráteres. Al identificar unos 90 millones de pequeños cráteres de impacto, los investigadores pudieron calcular las edades de diferentes regiones de Marte y luego identificar un cráter específico como el origen de un grupo de meteoritos.

Fotografía de Lagain et al. 2021, Nature Communications

Hace aproximadamente un millón de años, un asteroide chocó con la superficie normalmente tranquila de Marte. El impacto arrojó escombros al aire y algunos fragmentos de roca escaparon de la gravedad del planeta y se perdieron en la oscuridad.

Algunas de las rocas llegaron a la Tierra y sobrevivieron a la caída en la atmósfera de nuestro planeta, llegando a su superficie, incluido un fragmento de 6,8 kilogramos que cayó en Marruecos en 2011. Denominada por los científicos como shergotitas empobrecidas, esta colección de más de una docena de rocas espaciales es una parte intrigante de los 317 meteoritos marcianos conocidos —los únicos materiales de Marte que hay en la Tierra.

Es importante determinar la región de origen de estos meteoritos en Marte para comprender la historia del planeta, pero es un gran desafío científico. Ahora, con la ayuda de un programa de aprendizaje automático que cuenta cráteres, un equipo de investigadores que estudia shergotitas empobrecidas puede finalmente haber resuelto el problema: han concluido que estos proyectiles geológicos provienen de un solo cráter en la cima de Tharsis, el accidente geográfico volcánico más grande del Sistema Solar.

Este antiguo gigante volcánico de Marte está formado por miles de volcanes individuales y se extiende a lo largo de una superficie equivalente a casi tres veces el área continental de los Estados Unidos. Se formó durante miles de millones de años por innumerables inyecciones de magma y flujos de lava. Es tan pesado que, durante su formación, provocó una inclinación de 20 grados en el planeta.

Si estos meteoritos realmente provienen de Tharsis, como sugiere el análisis publicado en la revista Nature Communications, los científicos tienen en su manos meteoritos que pueden ayudar a identificar las fuerzas infernales que afectaron la formación de esta estructura capaz de inclinar planetas.

“Realmente, esto podría cambiar nuestra comprensión de Marte”, dice Luke Daly, experto en meteoritos de la Universidad de Glasgow, que no participó en el estudio.

Pistas meteóricas

La mayoría de los meteoritos marcianos pertenecen a una categoría llamada shergotitas, que lleva el nombre de la ciudad india de Sherghati donde se vio uno que cayó del cielo en 1865. Las shergotitas son rocas volcánicas con composiciones similares, pero las shergotitas empobrecidas tienen una composición química peculiar.

En Marte, ciertos elementos, como el neodimio y el lantano, no tienen afinidad con los minerales del manto, la parte sólida pero pastosa del planeta bajo la corteza. Las shergotitas empobrecidas carecen de estos elementos, de ahí el nombre de “empobrecida”, lo que sugiere que provienen del manto de Marte.

Pero ¿cómo se acercaron estas rocas a la superficie lo suficiente como para ser arrojadas por un impacto? En la Tierra, la roca del manto puede llegar a la superficie de dos maneras: cuando dos placas tectónicas se separan y permiten que el manto se eleve, o cuando una fuente de material del manto sobrecalentado, conocida como pluma del manto, se eleva desde las profundidades. Aparentemente, Marte nunca tuvo placas tectónicas, por lo que una pluma de manto es el escenario más probable.

Los científicos también saben que todas las rocas provienen de una región volcánica relativamente reciente, tal vez una acumulación de depósitos de flujo de lava, según la desintegración radiactiva de elementos específicos en meteoritos.

Si todas estas rocas volcánicas que viajan por el espacio provienen de un solo impacto, entonces debe haber sido muy fuerte, pues dejó un cráter de al menos tres kilómetros de diámetro o, quizás, más grande. Y el cráter tendría aproximadamente 1,1 millones de años, ya que los rayos cósmicos que bombardearon y alteraron las superficies de los meteoritos a lo largo del tiempo revelaron la duración de la trayectoria a través del espacio después del impacto.

Sin embargo, a pesar de estas pistas, identificar el lugar de origen de estos fragmentos de rocas marcianas resultó ser una tarea extremadamente compleja. Son como piezas individuales perdidas de un rompecabezas: sin saber cómo era su entorno original, es casi imposible ubicarlas en una región específica del planeta.

“Como geólogos, registramos mucha información sobre los sitios de recolección de muestras de rocas debido a la importancia del contexto”, dice Áine O’Brien, estudiante de doctorado que investiga meteoritos marcianos en la Universidad de Glasgow y que no participó en el estudio. “Dado que se desconoce el contexto en el que se ubicaron los meteoritos marcianos, es necesario hacer suposiciones muy bien fundamentadas sobre lo que ocurrió en su formación”.

Y para hacer estas suposiciones, los científicos recurrieron a una nueva herramienta en la ciencia planetaria: el aprendizaje automático.

Un cráter entre millones

La única forma de determinar seguramente la edad de la superficie de un planeta es tomar una muestra física y estudiar sus compuestos radiactivos. Sin embargo, hasta que la NASA y la campaña Mars Sample Return de la Agencia Espacial Europea para traer rocas marcianas prístinas a la Tierra en la década de 2030, los investigadores deben confiar en una técnica para estimar las edades de la superficie conocida como recuento de cráteres.

En la Tierra, vendavales, agua corriente, lava en erupción y una multitud de seres vivos borran rápidamente los antiguos cráteres de impacto. Este no es el caso de Marte, un planeta geológicamente letárgico con brisas ligeras y sin agua superficial. Allí, cráteres considerables siguen intactos durante cientos de millones o incluso miles de millones de años. Por suponer que se conozca la tasa de impactos a lo largo del tiempo, una superficie de Marte con más cráteres sería más antigua que una con menos cráteres.

Los científicos pueden utilizar otras estrategias para deducir la edad de un cráter. “Cuando un asteroide se choca con la superficie, se lanzan muchos escombros”, explica Anthony Lagain, geólogo planetario de la Universidad Curtin, en Australia, y autor principal del nuevo estudio. Los fragmentos que regresan a Marte impactan la superficie y forman pequeños cráteres secundarios alrededor del cráter principal original. Incluso en Marte, estos cráteres menores están sujetos a la erosión eólica durante unos pocos millones de años, por lo que cualquier cráter grande rodeado por cráteres menores debe haber sido creado más recientemente en la historia del planeta.

“Para determinar mejor las edades, es necesario analizar cráteres cada vez más pequeños”, observa Gretchen Benedix, astrogeóloga de la Universidad de Curtin y coautora del estudio. Los impactos más pequeños son más comunes que los más grandes, por lo que se pueden usar pequeñas diferencias en el número de cráteres más pequeños en dos superficies para calcular líneas de tiempo más detalladas.

Para determinar si un cráter tenía exactamente 1,1 millones de años, el equipo necesitó catalogar los pequeños cráteres en Marte y usarlos para fechar con precisión la superficie. Sería casi imposible hacerlo manualmente. En su lugar, introdujeron imágenes de la órbita de Marte en un programa de aprendizaje automático y lo entrenaron para localizar cráteres de menos de un kilómetro de largo.

Pronto se localizaron unos 90 millones de cráteres, dice Kosta Servis, científico de datos de la Universidad de Curtin y coautor del estudio. Con esta línea de tiempo de cráteres disponible, el equipo pudo comenzar a reducir los posibles orígenes de las shergotitas empobrecidas.

Fragmentos de un titán volcánico

Después de examinar los datos, el equipo identificó 19 grandes cráteres en regiones volcánicas de Marte que estaban rodeados por varios cráteres secundarios, una señal de que estas cicatrices planetarias podrían ser tan jóvenes como el cráter de 1,1 millones de años que se buscaba. Utilizando el catálogo de 90 millones de pequeños cráteres, los investigadores pudieron determinar con precisión la edad de las capas de escombros irradiados desde los cráteres más grandes, lo que permitió estimaciones aún más precisas de sus edades.

Algunos de los cráteres tenían la edad correcta, pero no fue suficiente. La edad de formación del terreno circundante también necesitaba coincidir con la edad de los minerales que se encuentran en los meteoritos. Para hacer esta verificación, el equipo volvió a consultar su catálogo de cráteres para determinar la edad de las llanuras volcánicas.

De estos 19 cráteres, solo dos fueron excavados en depósitos volcánicos recientes por un evento de impacto hace 1,1 millones de años: el cráter 09-00015 y el Cráter Tooting. Este último (llamado así por un distrito de Londres) parece haberse formado por un poderoso impacto oblicuo: el tipo de colisión que arrojaría muchos meteoritos marcianos al espacio.

“El cráter Tooting tiene un tipo especial de depósito de material liberado en varias capas que sugiere la presencia de hielo o agua a su alrededor en el momento del impacto”, dice Peter Grindrod, científico planetario del Museo de Historia Natural de Londres, que no participó en el estudio. Las simulaciones de impacto demuestran que el hielo y el agua pueden generar más desechos, muchos de los cuales pueden escapar al espacio si se les da suficiente impulso.

Dada toda esta evidencia, el equipo identificó el cráter Tooting de 30 kilómetros de largo como la fuente más probable de las shergotitas empobrecidas. “Es un argumento muy convincente”, comenta Daly. “Todo parece tener sentido”.

Los científicos no han descartado por completo el cráter 09-00015, pero lo importante es que ambos cráteres “están ubicados en la región de Tharsis, donde desde hace tiempo se cree que un vasto punto de actividad magmática, o superpluma, produjo un abultamiento masivo en la superficie de Marte”, según Grindrod. Independientemente de cuál sea el cráter específico del que se originaron los meteoritos, podrían indicar la historia de la región volcánica más grande de Marte.

El recuento de cráteres ya ha revelado que algunas de las características de Tharsis surgieron hace más de 3.700 millones de años, pero los meteoritos de shergotita más recientes tienen solo unos pocos cientos de millones de años, lo que sugiere que la superpluma de Tharsis es casi tan antigua como el propio planeta Marte y siguió produciendo magma mucho después de que varios de los otros centros volcánicos del planeta se extinguieran.

Así como las plumas de la Tierra, las del manto de Marte han ayudado a dar forma a la evolución de la superficie del planeta y liberan enormes volúmenes de gases que alteran la atmósfera al tiempo que modifican drásticamente su topografía. La superpluma de Tharsis puede haber tenido una influencia casi incesante en el desarrollo del planeta rojo.

Los días de frecuentes y prolíficas erupciones de Marte han terminado. Pero el vulcanismo prolongado de Tharsis refuerza la idea de que incluso los planetas pequeños, que deberían haber perdido su calor interno hace mucho tiempo, pueden mantener la actividad volcánica durante un período mucho más largo de lo que se creía.

La descubierta de cráteres en otros planetas

Animado por su descubrimiento, el equipo de Lagain espera identificar los cráteres de origen de otros meteoritos marcianos, incluidos algunos de los más antiguos, que pueden revelar más sobre el pasado de Marte con abundante agua.

Pero el éxito futuro, así como las implicaciones de este estudio, dependen de un recuento correcto de cráteres por parte del programa de aprendizaje automático. El conteo de cráteres está plagado de dificultades: la tasa de impactos a lo largo del tiempo es solo una estimación, por ejemplo, y las pequeñas estructuras circulares en forma de cráteres en Marte pueden engañar a un programa de computadora.

El aprendizaje automático “es una forma muy creativa de intentar resolver este problema”, dice Lauren Jozwiak, vulcanóloga planetaria del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, en EE. UU., que no participó en el estudio. “Espero que este método funcione”, porque, si funciona, “sería muy interesante aprovechar y aplicar el método a otros planetas”, dice.

Los autores del estudio están de acuerdo. “Marte es interesante”, observa Benedix. “Pero este algoritmo y esta metodología no se limitan a este planeta. Podrían usarse en relación con la Luna y también con Mercurio”.

Si el aprendizaje automático realmente ha resuelto este antiguo misterio sobre los meteoritos, abrirá la puerta a innumerables posibilidades nunca imaginadas. “Sin duda, apenas estamos empezando a ver las implicaciones del aprendizaje automático para la ciencia planetaria”, dice Grindrod.

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