Figura 1. La pistola de gas horizontal de dos etapas ubicada en la Universidad de Kobe.
Un grupo de investigación de la Universidad de Kobe ha demostrado que el calor generado por el impacto de un pequeño cuerpo astronómico podría permitir la alteración acuosa y la formación de sólidos orgánicos en la superficie de un asteroide. Lo lograron al realizar primero experimentos de cráter de impacto de alta velocidad utilizando un material objetivo similar a un asteroide y midiendo la distribución de calor posterior al impacto alrededor del cráter resultante. A partir de estos resultados, Luego establecieron una regla general para la temperatura máxima y la duración del calentamiento, y desarrolló un modelo de conducción de calor a partir de esto.
El grupo de investigación estaba formado por los siguientes miembros de la Escuela de Graduados de Ciencias de la Universidad de Kobe; Conferencista YASUI Minami, TAZAWA Taku (estudiante de maestría de segundo año en el momento de la investigación), HASHIMOTO Ryohei (entonces estudiante de cuarto año en la Facultad de Ciencias) y el profesor ARAKAWA Masahiko, además del Investigador Senior Asociado del Centro de Exploración Espacial JAXA OGAWA Kazunori (quien era un especialista técnico en la Universidad de Kobe en el momento del estudio).
Estos resultados han ampliado el rango espacial y temporal sobre el cual podrían ocurrir las condiciones necesarias para la alteración acuosa y la formación de sólidos orgánicos. Se espera que esto aumente significativamente el número de posibles cuerpos astronómicos que podrían haber traído agua y los orígenes de la vida a la Tierra.
Estos resultados de investigación se publicaron en la revista científica británica Comunicaciones Tierra y Medio Ambiente el 18 de mayo 2021.
Puntos principales
Figura 2. Ejemplo de cambios térmicos:el eje x indica el tiempo transcurrido, siendo 0 el momento del impacto. El eje y muestra las diferencias de temperatura desde antes del impacto en adelante. Este impacto fue realizado por un proyectil de aluminio con una velocidad de impacto de 4,3 km / s. Las líneas de diferentes colores indican la distancia entre el punto de impacto y los termopares. La duración es el tiempo que tarda la temperatura máxima en bajar a la mitad. La foto muestra el cráter de impacto. Se incrustaron termopares en el objetivo.
Antecedentes de la investigación
Se cree que el agua y las sustancias orgánicas necesarias para que la vida comience en la Tierra fueron el resultado del impacto de un cometa o asteroide en el planeta. Se han descubierto minerales y sustancias orgánicas que han experimentado alteración acuosa en meteoritos (de los que se originan los asteroides), proporcionando pruebas de que alguna vez contenían agua. Sin embargo, una fuente de calor es necesaria para las reacciones químicas que causan la alteración acuosa y la formación de sólidos orgánicos dentro de los asteroides.
Una fuente de calor suficientemente fuerte es el calentamiento por desintegración radiactiva de 26 Alabama, un nucleido radiactivo de corta duración que se encuentra dentro de las rocas. Sin embargo, Se dice que el calentamiento radiactivo que causó la alteración acuosa y la formación de sólidos en los cuerpos parentales de los asteroides (* 4) solo pudo haber ocurrido al comienzo de la historia del sistema solar debido a la corta vida media de 26 Al (720, 000 años).
En años recientes, La teoría de que el calor de impacto generado cuando un pequeño cuerpo astronómico golpea un asteroide también podría ser una fuente de calor viable ha comenzado a llamar la atención. Sin embargo, no se sabe cuánto calor se genera en función de las características del cuerpo astronómico (tamaño, densidad, velocidad de impacto) y a qué distancia dentro del asteroide se transmite este calor generado. Hasta ahora, No se han realizado estudios que hayan investigado experimentalmente este proceso de generación y propagación de calor para determinar si sería posible la alteración acuosa y la formación de sustancias orgánicas.
Figura 3. A. Relación entre temperatura máxima y distancia adimensional. B. Relación entre duración y distancia adimensional. La duración se escala según el tiempo de difusión térmica (* 6). Los colores indican diferentes proyectiles y velocidades de impacto:PC es una esfera de policarbonato con un diámetro de 4,7 mm y Al es una esfera de aluminio con un diámetro de 2 mm.
Metodología de investigación
Este grupo de investigación realizó experimentos de laboratorio para investigar la relación entre el calor de impacto generado en un asteroide (como resultado del impacto de un pequeño cuerpo astronómico) y las características del impacto. Para el objetivo, utilizaron yeso (un mineral poroso compuesto de sulfato de calcio dihidratado) para imitar un asteroide. Aceleraron proyectiles en el objetivo a altas velocidades de impacto de entre 1 km / sa 5 km / s utilizando el cañón de gas horizontal de dos etapas de la Universidad de Kobe (Figura 1). Se colocaron múltiples termopares en el objetivo de yeso para medir los cambios de temperatura posteriores al impacto. En esta serie de experimentos, los investigadores cambiaron el tamaño, densidad, velocidad de impacto de los proyectiles y posiciones de los termopares para investigar las diferencias en la duración del calor en función de las características del impacto (Figura 2).
Del gráfico de duración del calor, el grupo de investigación investigó la temperatura máxima y su duración, y analizó cómo esto se relacionaba con las características del impacto (Figura 3). Usando la distancia adimensional obtenida al normalizar la distancia desde el punto de impacto (donde el proyectil golpeó el objetivo) por el radio del cráter, determinaron con éxito cómo la temperatura máxima y su duración se alteran por las características del impacto y elaboraron una regla empírica para ello. Posteriormente, construyendo un modelo de conducción de calor que incorpora esta regla empírica, les permitió calcular la distribución de calor alrededor del cráter formado en la superficie del asteroide (Figura 4). El grupo de investigación verificó los resultados numéricos del modelo de conducción de calor con datos sobre el calor requerido y la duración para la alteración acuosa y la formación de sólidos orgánicos obtenidos de análisis anteriores de meteoritos. Estos resultados mostraron que podría producirse una alteración acuosa si se formara un cráter con un radio de más de 20 km a 2 au del sol. Además, estimaron que incluso un pequeño cráter con un radio de 100 m en un asteroide dentro de 4 au podría calentar hasta 100 grados centígrados, lo que significa que podría soportar la formación de sólidos orgánicos. La mayoría de los asteroides se encuentran dentro de las 4 au. Los investigadores también encontraron que si se forma un cráter con un radio de más de 1 km dentro de 2au, la circunferencia del cráter puede calentarse hasta 0 grados Celsius (la temperatura a la que el hielo se convierte en agua), permitiendo así que se formen sólidos orgánicos.
Figura 4. Distribución de calor alrededor del suelo del cráter de los cuerpos parentales de los asteroides calculada utilizando el modelo de conducción de calor:Las líneas punteadas son las curvas de nivel de las isotermas. Los números que se encuentran con las curvas de nivel de la isoterma indican el valor obtenido al normalizar la distancia desde el punto de impacto por el radio del cráter.
Nuevos desarrollos
Se cree que el calentamiento por desintegración radiactiva de 26 Al desencadena las reacciones químicas de alteración acuosa y formación de sólidos orgánicos en los asteroides. Sin embargo, este calentamiento solo puede ocurrir cerca del núcleo de asteroides comparativamente grandes que tienen decenas de kilómetros de diámetro. Es más, Se dice que esto solo pudo haber ocurrido dentro de un millón de años después de la formación del sol debido a la corta vida media de 26 Alabama. Por otra parte, Las colisiones entre asteroides todavía ocurren hoy, y es posible que tales colisiones calienten la superficie de asteroides incluso pequeños, siempre que el impacto no destruya el asteroide en sí. En otras palabras, Estos resultados de investigación muestran que el potencial de los asteroides para soportar la alteración acuosa y la formación de sólidos orgánicos es temporal y espacialmente mucho mayor de lo que se pensaba anteriormente. Esto contribuirá a que un mayor número de cuerpos astrológicos sean considerados candidatos que trajeron el agua y las sustancias orgánicas para el inicio de la vida en la Tierra.
A continuación, el grupo de investigación espera examinar muestras devueltas de misiones de exploración de asteroides realizadas no solo por Japón sino también por otros países. Si en las muestras recolectadas se descubrieran minerales o sustancias orgánicas alterados en forma acuosa, esto podría proporcionar evidencia de los efectos del calentamiento por impacto.
