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D. Alfredo Surroca Carrascosa.
Físico e Investigador .
6 · ORIGEN DE LOS MARES, COMO APARECIÓ
AGUA EN LA TIERRA
D. Alfredo Surroca Carrascosa
Físico e Investigador
Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid.
Ha desarrollado su actividad profesional en el campo de la física del estado sólido
y de la telecomunicaciones en Francia, Italia, España, USA y Japón.
Principales funciones ejercidas anteriormente:
Director Telettra Española SA.
Director de Amper SA.
Director de Fujitsu España SA.
Asesor de Naciones Unidas para el desarrollo de las telecomunicaciones en
Centroamérica.
En la actualidad ejerce principalmente las siguientes funciones
Presidente de la Comisión de Cultura de la Real Liga Naval Española.
Miembro numerario de la Real Sociedad Geográfica.
Miembro numerario de la Real Sociedad Española de Física.
Miembro numerario de la Real Academia Española de la Mar.
Vicedelegado en Madrid de la Real Asamblea de Capitanes de Yate.
Abogado en ejercicio y miembro del Ilustre Colegio de Abogados de Madrid.
1. INTRODUCCIÓN
Hace poco más de 50 años, la cosmología era una ciencia con gran
contenido imaginativo e importantes dificultades de verificación
experimental, por lo que el principio medieval del magíster dixit
no había desaparecido totalmente. La aportaciones de Henrietta
Lewit y Edwin Hubble en primer lugar y las de Penzias y Wilson
posteriormente, han sido piezas claves para que la cosmología
pasara a ser una ciencia con considerable contenido experimental.
La geofísica, se ha beneficiado en gran medida de esta evolución y
está permitiendo que se lleven a cabo estudios rigurosos basados
en la observación y en la experimentación que son los pilares
fundamentales para el desarrollo científico. La determinación del
origen del agua de nuestro planeta Tierra es uno de esos estudios.
2. El AGUA
Como es bien conocido, la molécula de agua está formada por la unión
de dos átomos de hidrógeno y uno de oxigeno. Las características del
agua son realmente excepcionales: es un disolvente casi universal,
tiene una elevado calor específico, las tres fases: líquida, sólida y
gaseosa, se pueden presentar simultáneamente, la densidad máxima
aparece en estado líquido a 4 ºC, es muy poco compresible, etc.
El agua, y particularmente el agua líquida, es elemento clave para
toda forma de vida compleja como es la que se basa en la química del
carbono. El agua no sólo representa un elevado porcentaje del peso
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de los cuerpos vivos, más del 60 % en el caso del ser humano, sino
que es necesaria para el desarrollo de todas las reacciones químicas
del proceso vital. Esta es la razón por la que la presencia de agua
líquida se asocia, normalmente, a la existencia de vida.
El agua en el planeta Tierra contiene en su seno una gran variedad
de elementos. Alguno de ellos se encuentran en estado molecular
como cloro, sodio, oxigeno, etc., otros aparecen en forma disociada
como los iones oxígeno, hidrógeno, el grupo oxidrilo, etc, otros en
forma isotópica como el deuterio 2 H, el oxigeno 18 O y otros en
forma molecular isotópica como es el agua pesada D2O.
En el desarrollo de este estudio interesa particularmente la presencia
en el agua de estos dos últimos componentes: el deuterio, que es el
átomo de hidrógeno con dos nucleones (un protón y un neutrón) y
la molécula de agua pesada que es la molécula de agua con idéntica
formulación que el agua normal esto es, H2 O, pero formada con
deuterio en vez de hidrógeno. El peso molecular será entonces
2+2+16 = 20 en vez de 1+1+16 = 18 que es el peso molecular del
agua normal, lo que supone un incremento de densidad del orden
del 10%.
El interés del deuterio en relación con el origen del agua terrestre,
radica en tres particularidades: una de ellas es que el contenido de
deuterio en relación con el hidrógeno en el agua de la de la Tierra es
prácticamente constante, del orden de 1,5 x 10 -4 (0,015%), lo que
equivale aproximadamente a una pequeña gota de agua pesada por
cada litro de agua normal. Otra particularidad es que, como ocurre
con los átomos de hidrógeno, la cantidad de átomos de deuterio
existentes en el universo fue la generada en los primeros segundos
tras la gran explosión sin que, desde entonces, se haya producido
ningún fenómeno capaz de crear nuevo deuterio suplementario. Por
último, dada la mayor estabilidad del agua pesada respecto del agua
normal, tras los ciclos de evaporación solidificación, etc. que esta haya
podido sufrir, la proporción de agua pesada respecto del agua normal
debiera mantenerse constante o, a lo sumo, podría incrementarse.
Pero en ningún caso disminuir. Idéntica consideración cabría hacer,
obviamente, respecto del deuterio e hidrógeno.
Antes de examinar las teorías del origen del agua en el planeta Tierra
conviene examinar su aparición en dos estadios superiores: a escala
universal y en el sistema solar.
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2.1. El agua en el universo
En los primeros 200 segundos después de la gran explosión, hace unos
17.000 millones de años, tuvo lugar una actividad de nucleosíntesis es
decir de formación por síntesis de los elementos químicos. Pero en esta
fase, conocida como nucleosíntesis primigenia, sólo se sintetizaron el
hidrógeno (un protón), sus isótopos deuterio (un protón y un neutrón)
y tritio (un protón y dos neutrones), el helio (dos protones y dos
neutrones) y, quizás, trazas de litio. Nunca más se darían en el Universo
las condiciones necesarias de presión, temperatura, confinamiento,
etc. para que se volviera sintetizar el hidrogeno y el deuterio.
El deuterio es un átomo estable pero no así el tritio que es radiactivo
con una vida media de unos 12 años. Así pues, de los elementos
producidos en aquella época de la gran explosión, sólo permanecen
en el Universo hidrógeno, deuterio y helio. Puede parecer que la
síntesis de elementos producida en estos primeros instantes fue
escasa, pues sólo generó estos tres tipos de átomos, pero no debemos
olvidar que el Universo, en la actualidad, sigue constituido casi
exclusivamente por hidrógeno, por lo que puede afirmarse sin riesgo
de caer en exageración, que casi todo el material que hoy existe en el
Universo se creó en los primeros segundos de su vida.
Pero el inicial proceso de nucleosíntesis se bloqueó tras la formación
del helio sin poder progresar más allá de átomos con núcleos de
cuatro nucleones. Gamov creyó, equivocadamente, que este proceso
de síntesis podría progresar ininterrumpidamente de forma que
añadiendo protones o neutrones de uno en uno se lograría la síntesis
de todos los elementos de la tabla periódica, desde el Hidrógeno
hasta el Uranio. Pero la realidad no es así, en efecto, la estabilidad
del helio es tan grande que su tendencia a aceptar un protón o un
neutrón es prácticamente nula. La hipotética recepción en su núcleo
de un neutrón para generar el isótopo Helio 5 duraría menos de una
millonésima de trillonésima de segundo (10 -21 seg.), tiempo durante
el cual el núcleo expulsaría el neutrón y volvería a ser helio 4. Si la
hipotética anexión fuera de un protón, lo que daría lugar al isótopo
litio 5, la desintegración en helio 4 sería todavía más rápida.
La primera conclusión que se puede extraer de este bloqueo es que,
inicialmente, toda la materia del Universo estuvo constituida, única
y exclusivamente por los dos elementos químicos más simples que
existen: hidrógeno y helio.
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La fase siguiente en la evolución del universo fue la formación de
estrellas de primera generación que, obviamente, se formaron con la
concentración del único material existente, H y He. De acuerdo con
la teoría comúnmente aceptada, las primeras estrellas se formaron
mediante un proceso de acreción, formación de planetesimales y
atracción gravitatoria mediante el cual, conforme aumentaba la
acreción de átomos de hidrógeno, aumentaba la fuerza de la gravedad
que a su vez aumentaba la acreción.
Con este proceso se incrementaba progresivamente la temperatura
hasta que alcanzó un valor en torno a los 100 millones de grados
y se dieron las condiciones suficientes para el inicio de la fusión
nuclear por la que dos átomos de hidrógeno se unen formando
helio y desprendiendo energía. Esta reacción nuclear, que es la que
se produce en todas las estrellas incluido nuestro Sol, produjo a su
vez una gran elevación de temperatura y una fuerza expansiva que
permitió lograr un equilibrio con la fuerza gravitatoria. Nace así una
estrella estable de primera generación, compuesta exclusivamente
por hidrógeno y helio y que mantiene su equilibrio térmico y
mecánico gracias al combustible hidrógeno. La duración de la vida
de la estrella vendrá marcada por el tiempo que tarde en consumir
este combustible. Una vez que empiece a fallar el combustible, la
fuerza gravitatoria volverá a adueñarse de la situación, reiniciándose
la contracción hasta que sobrevenga el fin de la estrella, su colapso
y explosión.
Parece lógico pensar que durante todo el proceso de formación estelar
y durante la vida de las estrellas de primera generación siguieron
presentes en el universo sólo los dos elementos citados: el hidrógeno
y el helio. Este periodo podría estimarse en miles de millones de
años. En efecto, si tomamos como ejemplo nuestro Sol, el tiempo
en formarse las estrellas hasta la ignición de la fusión nuclear, más el
tiempo de vida media de las estrellas fue probablemente superior a
los 9.000 millones de años y quizás superior a los 11.000 millones.
Durante este periodo sólo hubo en el universo hidrógeno y helio sin
presencia de otros elementos como el oxígeno.
La existencia del agua requiere el cumplimiento de una condición
necesaria, esto es, la presencia del oxígeno, cuya aparición, según se
admite en la actualidad, sobrevino en otro proceso de nucleosíntesis
realizado en momento muy posterior. En la explosión de las
primigenias estrellas cuando se colapsaron al final de su vida. En la
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actualidad, se tiene la convicción de que la síntesis de los restantes
elementos simples hasta el hierro, (52 nucleones), se produjo en la
explosión de las estrellas novas.
No existiendo oxigeno en ese dilatado periodo puede concluirse
que durante las ¾ partes de la vida del Universo, en ninguna parte
del mismo hubo agua, ni líquida ni sólida ni gaseosa. Simplemente
porque no se había producido la síntesis del oxígeno. Lógicamente,
tampoco hubo, durante ese dilatado periodo, la posibilidad de vida
compatible con el oxígeno ni tampoco hubo planetas de los llamados
rocosos o terráqueos, como la Tierra, porque no existían elementos
constitutivos de rocas. Sólo había hidrógeno que podía presentarse
en forma gaseosa o líquida a -253 ºC o sólida a -269 ºC y helio en
forma gaseosa.
2.2 El agua en el Sistema Solar
Las nebulosas son regiones del medio interestelar constituidas por
gases principalmente hidrógeno y helio. Tienen una importancia
cosmológica notable porque son los lugares donde nacen las
estrellas por fenómenos de condensación y agregación de la
materia y, frecuentemente, son los restos de viejas estrella que han
muerto.
La nebulosa Trifida se encuentra a una distancia de entre 2000 y 6000
años luz. El color rojo es causado por la ionización del hidrógeno
a cargo de la radiación ultravioleta. La nebulosa de Orión es una
de las nebulosas más brillantes que existen. Está situada a 1.270
años luz de la Tierra y posee un diámetro aproximado de 24 años
luz. De ella se ha obtenido información determinante acerca de la
formación de estrellas y planetas a partir de nubes de polvo y gas
en colisión.
En las nebulosas producidas por la explosión de estrellas novas o
supernovas ya se puede contar con la presencia de todos los elementos
químicos incluido el oxígeno y muchos de sus compuestos tales
como el agua. Fue precisamente con este material con el que se creó
la segunda generación de estrellas, a la que pertenecen el Sol y la
casi totalidad de las estrellas de la Vía Láctea. La hipótesis del disco
de acreción es esencial para explicar la razón por la que la estrella y
los planetas residen en órbitas situadas prácticamente en el mismo
plano.
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Varias teorías y en particular la que se basa en la distribución del
momento angular en el sistema solar muestran que la formación del
Sol y de los planetas fue simultánea e independiente. La materia de
la que están formados los planetas nunca perteneció al Sol ni, por
consiguiente, pudo ser eyectada por éste.
Nebulosa Trífida (izquierda) y Nebulosa de Orión (derecha).
Parece oportuno presentar los tamaños relativos de los ocho planetas
del sistema solar para verificar que, a la vista de sus dimensiones, se
pueden agrupar en dos familias claramente diferenciadas. Los cuatro
primeros por orden de proximidad al Sol, notablemente pequeños,
que por su débil fuerza de la gravedad no pudieron mantener en su
superficie el hidrógeno gaseoso sino sólo el material más denso y
pesado. A estos cuatro planetas que, contrariamente a lo que sucede
en general en el Universo, apenas tienen hidrógeno, se les llama
terráqueos o rocosos. Los cuatro segundos son mucho más grandes,
con fuerza de gravedad elevada que les ha permitido retener el gas
hidrógeno. Se les llama planetas jovianos o gaseosos.
Disco de acreción.
A continuación se examinan, brevemente, la presencia del agua en
los diversos cuerpos que constituyen el sistema solar.
El Sol
Con una masa 333.000 veces la masa de la Tierra y una temperatura de
60.000 ºC en su interior y 6000 ºC en la parte externa es imposible pensar
en la existencia de agua líquida o sólida. Pero en el Sol hay moléculas
de agua, que se detecta por la absorción de la radiación infrarroja. En el
Sol hay oxígeno que puede colisionar con el omnipresente hidrógeno
por lo que se puede hablar de la presencia de moléculas de agua.
Planetas
La primigenia teoría de formación del sistema solar según la cual
los planetas proceden de masa eyectada por el Sol no es sostenible.
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Ninguno de los planetas alcanzó, en la fase de acrecimiento, el
tamaño suficiente para lograr la temperatura necesaria al arranque
de la reacción de fusión nuclear. El que más cerca anduvo fue Júpiter,
que si lo hubiera logrado, se habría convertido en un segundo
Sol y nuestro sistema sería un sistema binario. Pero todos ellos,
en su proceso de formación, alcanzaron la temperatura de fusión
adquiriendo así la forma esférica.
Hoy sabemos que la aparición del agua en los planetas se produjo
hace unos 4.500 millones de años es decir casi simultáneamente
a la fecha de formación de éstos. La aparición de circonios con
esta antigüedad cuya génesis requiere la presencia de agua, así lo
demuestra.
En Mercurio, dada la proximidad al Sol, la temperatura de día
es muy elevada, en torno a 350 ºC, por lo que el agua de su
superficie necesariamente tuvo que estar en estado gaseoso y se
perdió rápidamente dada la débil fuerza de la gravedad como
consecuencia de su escasa masa que no alcanza el 6% de la
Terrestre. En Mercurio, donde se ha detectado muy pequeña
cantidad de agua, esta debe estar en forma gaseosa y ocluida en
su interior.
En Venus cabría hacer la misma observación que en Mercurio, si bien
dada su mayor masa, muy cercana a la terrestre, pudiera contener
agua en estado gaseoso en su superficie a pesar de que la atmósfera
es casi exclusivamente de CO2. Venus probablemente tuvo tanta
agua como la Tierra pero el efecto invernadero del CO2, provocó
su evaporación. La elevada proporción de deuterio detectada, 120
veces mayor que en la Tierra, muestra que, en efecto, hubo una gran
cantidad de agua.
En la Tierra, de la que se hablará más adelante, es obvio que existe
agua en estado gaseoso ocluida en su interior y en la atmósfera y en
estado sólido y líquido en mares, lagos y ríos.
En Marte, dada su dimensión y escasa gravedad pues su masa es el
11% de la Tierra, no se pudo retener agua en forma gaseosa pero si
pudo estar en forma líquida y sólida en su superficie. La evolución
de Marte hacia zonas más frías del sistema solar determinó que toda
el agua se tornara sólida. No se excluye la posibilidad de agua liquida
en su interior.
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Júpiter está formado básicamente por hidrógeno y helio pero parece
posible que haya nubes de vapor de agua bajo el manto de metano
y amoniaco que cubre su superficie. Otra cuestión es la presencia de
agua en sus satélites principalmente Europa.
Saturno, como sucede con Júpiter, está formado por un 90% de H
y 5 % de He. Su densidad es menor de 1 y cabria la posibilidad de
presencia de agua. También en este caso es posible que exista agua en
alguno de sus 61 satélites. Es destacable el caso del satélite Encelado
de 250 Km de diámetro.
Urano posee, probablemente, un océano de hielo de agua bajo
manto de metano. Su núcleo es de hielo y rocas.
Neptuno. La estructura interna se parece a la de Urano: un núcleo
rocoso cubierto por una costra helada, oculto bajo una atmósfera
gruesa y espesa. Los dos tercios interiores de Neptuno se componen
de una mezcla de roca fundida, agua, amoníaco líquido y metano. El
tercio exterior es una mezcla de gas caliente compuesto de hidrógeno,
helio, agua y metano
Satélites planetarios
Luna. Es el único satélite de los cuatro planetas terráqueos. Su
formación, según se admite de forma casi unánime, se produjo
como consecuencia de la colisión de un gran cometa del tamaño de
Marte con la Tierra. Debido a esa colisión, la presencia del agua, si
existe, fue transferida por el hielo cometario y sólo cabe esperarla en
forma de hielo o gas en su interior.
Europa. Satélite de Júpiter de 3100 Km de diámetro. Parece ser que
bajo un manto de hielo superficial se escondería un impresionante
océano interior de agua líquida de 100 Km de kilómetros de
profundidad, que abarcaría la totalidad del satélite, formado por el
derretimiento de masas de hielo interno. La explicación de esta agua
líquida podría ser que se debe al calor interior provocado por el tira
y afloja gravitatorio de Júpiter, que estiraría y comprimiría Europa
de forma cíclica.
Encelado. Quizás lo más sobresaliente sobre agua en satélites
planetarios sea el reciente descubrimiento realizado por la NASA
en el satélite de Saturno, Encelado, con la sonda Cassini que orbita
alrededor de Saturno desde 2004.
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no alcanzaron la temperatura de fusión que les hubiera permitido lograr
la forma esférica sino que se mantuvieron a muy baja la temperatura
con agua helada como componente sólido. Por esta razón se considera
que los cometas representan el estadio más primitivo del desarrollo del
sistema planetario y su conocimiento es importante para entender la
formación de los núcleos de los planetas gaseosos, ya que son similares
a los primitivos objetos planetesimales que constituyeron el interior de
estos planetas en las primeras etapas de formación del Sistema Solar.
Imagen de Europa desde la sonda Galileo (Izquierda). Imagen de Encelado
captada por la sonda ‘Cassini’. Las grietas sugieren la presencia de un océano
subterráneo de agua líquida (Derecha).
En marzo de 2006, la misma nave encontró los primeros indicios
de agua en esta luna, al detectar en los alrededores de su polo sur
géiseres que expulsan chorros de partículas desde el interior del
satélite. Estos surtidores podrían tener su origen en pequeñas bolsas
de agua líquida que se encontrarían enterradas a poca distancia de la
superficie. De acuerdo con esta hipótesis, el agua se mantendría por
encima de su punto de congelación gracias al calor producido por
procesos radiactivos y a las actividades geológicas que tienen lugar
en esta área de Encelado.
Los nuevos hallazgos en Encelado han convertido inesperadamente
a esta luna de Saturno en uno de los lugares con más probabilidades
de albergar agua y vida fuera de la Tierra y dentro del sistema solar.
Marte sigue siendo el gran candidato para hallar algún tipo de
organismo vivo fuera de la Tierra, y los esfuerzos para buscar vida
seguirán centrándose en el planeta rojo, sin embargo, satélites como
Europa y Encelado están dando sorpresas que impiden descartar que
sea bajo su superficie donde al final encontremos el primer rastro de
vida fuera de nuestro propio planeta.
La figura pone de manifiesto dos particularidades de los cometas. La primera
es que la cola se desarrolla a medida que éstos se acercan al Sol, debido
al calentamiento de sus heladas superficies. La segunda, es que sus colas
siempre están dirigidas en dirección opuesta al Sol.
Cinturón de Kuiper
La conclusión sobre la existencia del agua en el sistema planetario
es que esta existe, en mayor o menor medida, en todos los cuerpos
que lo forman.
Cometas
Los cometas son cuerpos de forma irregular que orbitan alrededor del
Sol normalmente con gran excentricidad formados por agua en forma
de hielo y polvo. Son cuerpos que se formaron hace unos 4500 millones
de años, cuando se originó el sistema solar, pero que abortaron el
proceso de acreción sin llegar a adquirir elevada temperatura. No sólo
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Algunos objetos del Cinturón de Kuiper (izquierda). Nube de Oort (derecha)
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Típicamente, un cometa tiene menos de 10 km de diámetro. La mayor
parte de sus vidas son cuerpos sólidos congelados o bolas de nieve
con polvo. Cuando eventualmente se acercan al Sol, el calor de éste
empieza a vaporizar sus capas externas que se subliman, convirtiéndolo
en un astro con unas partes bien diferenciadas. En este proceso de
sublimación se desprenden partículas de polvo formándose así una
nube de gas y polvo que envuelve al núcleo. Dicha nube es la coma o
cabellera del cometa que puede alcanzar los 100.000 km.
Como se verá más adelante es importante conocer el lugar de donde
proceden los cometas que, hasta fecha reciente, eran dos:
Una de ellas es el llamado Cinturón de Kuiper, en honor del
astrónomo norteamericano Gerard Kuiper, quien lo predijo en
1960 aunque su existencia no fue confirmada hasta 1991. Es una
zona que pertenece al disco de acreción originario del sistema solar
donde orbita una gran multitud de objetos helados alrededor del Sol
más allá de la órbita de Neptuno, en el confín del Sistema Solar por
lo que reciben el nombre de TNOs (Trans Neptunian Objets). Tal
lejanía hace que la luz del Sol tarde más de cuatro horas en llegar y
que la temperatura superficial de estos cuerpos sea del orden de -220
ºC. El agua helada es, pues, uno de los componentes principales de
los cuerpos que integran el Cinturón de Kuiper.
La otra zona de procedencia de cometas es la llamada Nube de Oort en
honor del astrónomo holandés Jan Oort (1900-1992) quien formuló
su hipotética existencia en 1950. No es un espacio plano como el
Cinturón de Kuiper sino una nube de tipo esférico y se encuentra a
1,5 años luz del Sol. A pesar de la gran distancia, los objetos situados
en la Nube de Oort están en orbitas solares, aunque sobre ellos tiene
efecto gravitatorio no despreciable la estrella Alfa Centauro que, a
una distancia de 4,5 años luz, es la más próxima al Sol.
Los objetos del cinturón de Kuiper pudieron crearse más hacia
el interior del Sistema Solar y haber sido desplazados hasta sus
posiciones actuales más alejadas y más frías debido a las interacciones
con Neptuno. Neptuno, en efecto, se ha desplazado lentamente desde
la posición originaria que tenía cuando se formó hasta la lejana órbita
que posee actualmente. El Cinturón de Kuiper es la fuente de cometas
de los llamados de periodo corto. El primer objeto de este cinturón
fue descubierto en 1992. Aunque la mayoría de ellos son pequeños,
de unos 100 kilómetros de tamaño medio, se estima que existen unos
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100.000 objetos mayores de 50 km. En 2000 se descubrió Varuna de
unos 900 km. de diámetro. Posteriormente, desde 2003 a 2005, se
han encontrado objetos mucho más grandes que el Varuna entre ellos
el Sedna y el Eris, este último más grande Plutón.
El TNO Sedna tiene una órbita elíptica alta con excentricidad de
0.857 por lo que se asemeja más a una órbita cometaria que a una
planetaria. Se cree que la rotación de Sedna sobre sí mismo es de
40 días y el periodo de revolución es de 13 años. Durante cierto
tiempo se consideró el objeto más grande hallado en el Sistema Solar
desde el descubrimiento de Plutón en 1930. Demasiado lejano para
considerarlo objeto del Cinturón de Kuiper, los descubridores alegan
que Sedna, como sucede con Eris, pertenece en realidad a la Nube
de Oort. Está tan lejos del Sol que la temperatura nunca sube de
los -240°C. Por su frío y su distancia se le dio el nombre de Sedna,
deidad del mar de la mitología esquimal.
En cuanto a la Nube de Oort, se supone que residen allí más de cien
millones de cometas gran parte de ellos procedente del interior de
la órbita de Neptuno que, perturbados por la atracción gravitatoria
de los planetas gigantes, fueron lanzados al exterior del sistema solar
o a órbitas más alejadas. Se trata, pues, de un verdadero depósito de
cometas. Se caracterizan por poseer un extensa gama de periodos
orbitales y orbitas inclinadas aleatoriamente sobre la eclíptica. La
Nube de Oort explica elegantemente una antigua aparente paradoja:
si los cometas son destruidos tras varios pasos cercanos al Sol deberían
haber sido destruidos completamente a lo largo de la historia del
Sistema Solar. La Nube de Oort resuelve esta contradicción al erigirse
como fuente continua y casi inagotable de material cometario que
reemplaza a los cometas destruidos. La Nube de Oort es la fuente de
cometas de los llamados de ciclo largo.
Algunos notables cometas son los siguientes:
Donati (1858). Un ejemplo de cometa de periodo muy largo que
apareció, con un periodo orbital estimado en unos 2000 años.
Donati no volverá a regresar hasta dentro de 2.000 años.
Ikeya-Seki, (1965). Pertenece a un grupo de cometas caracterizados
por unas órbitas que los llevan extremadamente cerca del Sol durante
el perihelio. Se le reconoce como un cometa “suicida” o de Kreutz.
Su periodo de revolución es de 876 años. Existe una posibilidad de
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West (1976). Fue el cometa más brillante de los últimos años y parece
ser que alcanzó, aunque durante muy poco tiempo, una magnitud
de -3.5 en el perihelio. Sin embargo, en aquel momento el cometa
West estaba demasiado cerca del Sol para poderlo observar a simple
vista. La foto del cometa West muestra dos colas diferentes. La cola
de plasma azul está compuesta por gases y la cola ancha blanca está
compuesta por partículas microscópicas de polvo.
Shoemaker Levy (1994). Recientemente se produjo el impacto
de los fragmentos del cometa Shoemaker-Levy a más de 200.000
km/h contra la superficie del gigantesco Júpiter. Los fragmentos
del Shoemaker-Levy tenían unos pocos kilómetros de diámetro y
generaron unas manchas en la atmósfera de Júpiter del tamaño de
la Tierra. Esto nos confirma que el impacto de un gran asteroide
sobre la Tierra podría generar polvo que al distribuirse por toda la
atmósfera terrestre, cubriría el cielo y bloquearía la luz solar enfriando
la superficie del planeta durante meses. Se producirían de esta forma
extinciones en masa de plantas y animales.
Cometa Donati (izquierda) y Cometa West (derecha).
Colisión cometa Shoemaker-Levy con Júpiter (izquierda)
y Cometa Hale-Bopp (derecha).
que este cometa fuese el retorno del gran cometa X/1106 C1, que fue
visto en plena luz del día en toda Europa.
Wild (1978). Orbita alrededor del Sol cada 6 años, lo cual es un
corto período de tiempo para un cometa. El núcleo de Wild es de
sólo 5 km. de diámetro. En enero del 2004, la nave espacialStardust
pasó junto al cometa Wild 2, obtuvo unas excelentes fotografías de
núcleo, y recogió partículas de polvo junto con el polvo interestelar
capturado. Este material regresó a la Tierra el 15 de enero de 2006.
Hale-Bopp (1995). Fue probablemente uno de los cometas más
ampliamente observados en el último siglo y uno de los más brillantes
que se han visto en décadas. Pudo ser contemplado a simple vista
durante 18 meses. El cometa Hale-Bopp fue descubierto el 23 de
julio de1995 a gran distancia del Sol, creándose desde entonces la
expectativa de que sería un cometa muy brillante cuando pasara
cerca de la Tierra. El Hale-Bopp superó todo lo esperado cuando
pasó por su perihelio el 1 de abril de 1997.
Cometa Wild. Nucleo (izquierda) y Cometa Halley (derecha).
Halley (1986). Oficialmente denominado 1P/Halley, es un cometa
grande y brillante que orbita alrededor del Sol cada 76 años en promedio,
aunque su período orbital puede oscilar entre 74 y 79 años. Es uno de
los mejor conocidos y más brillantes de los cometas de “periodo corto”
del cinturón de Kuiper. Se le observó por última vez en 1986 cerca de
la Tierra y se calcula que la siguiente visita en el año 2061. El Halley,
aunque procede de la Nube de Oort, es un cometa de periodo corto
porque su órbita fue drásticamente alterada por los planetas jovianos.
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Cometa Churyumov-Gerasimenko (izquierda) y Sonda Rosetta, cerca del
asteroide Steins, camino del cometa Churyumov-Gerasimenko (derecha).
Origen
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Churyumov-Gerasimenko (1969) Este cometa, que orbita
alrededor del Sol cada 6.5 años tiene una historia extraña. Antes
de 1840, la órbita de Churyumov-Gerasimenko lo mantenía muy
distante del Sol. En 1840, el cometa se acercó a Júpiter cuya fuerte
gravedad alteró la órbita del cometa, acercándolo al Sol. En 1959
otra aproximación a Júpiter lo acercó al Sol aún más. Debido a que
el cometa estuvo lejos del Sol por mucho tiempo, no se ha derretido
considerablemente. Esto significa que no ha cambiado mucho desde
que “nació”, cuando nuestro Sistema Solar aún era joven. El estudio
de cometas como éste es de sumo interés porque podría ayudar a
conocer más acerca de los primeros tiempos en la historia de nuestro
sistema Solar por esta razón ha sido designado como el objetivo de
la nave Rosetta que lo alcanzará en 20014.
Cabe concluir que los cometas son los cuerpos con mayor contenido
de agua en forma de hielo, parte del cual pasa a vapor de agua en las
proximidades del Sol. Su origen transneptuniano puede generarse
en el Cinturón de Kuiper, en cuyo caso son de periodo corto o en
la Nube de Oort, mucho más alejada, siendo entonces de periodo
largo.
Asteroides
Los asteroides son cuerpos rocosos y metálicos carentes de atmósfera,
que tienen un tamaño medio que puede variar desde unos 50 m. a
1.000 km pero pueden alcanzar más de 1.000 km. Al igual que
el planeta Neptuno, los asteroides fueron descubiertos primero de
forma teórica. En 1776, el astrónomo alemán Johann D. Titius
dedujo la existencia de un planeta entre Marte y Júpiter pero hubo
que esperar hasta 1801 para que otro astrónomo, Giuseppe Piazi,
descubriese un cuerpo celeste orbitando a la distancia predicha
anteriormente. El tamaño del objeto, bautizado como Ceres, fue
menor de lo esperado (unos 1.000 km de diámetro), por lo que
no se ajustaba completamente al modelo propuesto por Titius.
Un año después, Heinrich W. M. Olbers (1758-1840) descubrió
otro cuerpo de similares características: Palas, de 523 km de
diámetro. Posteriormente fueron descubiertos Juno y Vesta, también
de considerable tamaño. Todos ellos orbitan alrededor del Sol entre
las órbitas de Marte y Júpiter, en una zona conocida como Cinturón
Principal de Asteroides. Casi todos los asteroides de este cinturón
emplean entre tres y seis años terrestres en dar una vuelta completa
alrededor del Sol.
176 · XXV II S e m a n a
de estudios del mar
Tras los sucesivos descubrimientos de nuevos objetos a principios del
siglo XIX en la misma zona, Olbers sugirió en 1807 la posibilidad de
que, en lugar de un planeta intermedio, existiesen múltiples fragmentos
residuales de uno mucho mayor. Actualmente se sabe que no sucedió
así en realidad, sino que estos asteroides son cuerpos que no llegaron
a agregarse durante los comienzos del Sistema Solar para formar un
planeta, debido posiblemente, entre otras razones, a la enorme fuerza
gravitatoria del cercano Júpiter y a la escasa masa que poseían que no
llega a un 3% de la masa total de la Luna. Se supone que en el Cinturón
Principal de Asteroides orbitan más de 35.000 asteroides girando
alrededor del Sol. Es la principal, pero no única, zona de asteroides.
Los asteroides son clasificados de acuerdo a su composición química
y a la cantidad de luz que reflejan. La mayor parte son de tipo C
(carbonáceos), que contienen arcillas y minerales hidratados, o de
tipo S, con una composición rocosa.
Ceres fue el primer asteroide observado en 1801. Tiene unos 960
Km de diámetro y es esférico. Posee una capa de hielo de agua de
varios Km de espesor y su masa representa el 40% de la masa de
todos los asteroides del cinturón principal. Ha sido examinado
intensamente con el telescopio espacial Hubble. La Unión
Astronómica Internacional ha incluyó a Ceres en la categoría de
nueva creación de “Planetas Enanos”.
Pallas con 610 Km de diámetro fue descubierto poco después de
Ceres en 1802. Ha sido examinado intensamente con el telescopio
espacial Hubble.
Vesta con 523 Km de diámetro fue estudiados mediante radar desde
el Observatorio de Arecibo en Puerto Rico . No ha sido considerado
como planeta enano por tener forma ovalada.
Origen
d e lo s m a r e s , c o m o a pa r e c i ó ag ua e n l a
T i e r r a · 177
Ida. Descubierto en 1993 por la sonda espacial Galileo que detectó,
además, un pequeño asteroide orbitando a una distancia de
aproximadamente 100 km que recibió el nombre de Dactyl.
Posición del cinturón principal de asteroides.
Ida y Dactyl.
Vesta.
Gaspra es un cuerpo irregular de 19 km de largo, fue el primero en
ser fotografiado de cerca, en 1991, por la sonda espacial Galileo en
camino hacia Júpiter desde una distancia de 1.600 km.
Eros y Mathilde. El proyecto NEAR (Near-Earth Asteroid
Rendezvous) de la NASA fue la primera misión científica
dedicada exclusivamente al estudio de los asteroides. La sonda
NEAR, rebautizada Shoemaker en honor al fallecido astrónomo
norteamericano Eugene Shoemaker, sobrevoló el asteroide Mathilde
para luego acercarse al asteroide Eros en febrero de 2000 y orbitarlo
durante un año, estudiando su superficie, masa, composición
y campo magnético. En febrero de 2001, la nave descendió a la
superficie de Eros logrando, por primera vez en la historia, un
aterrizaje en un asteroide.
Gaspra.
178 · XXV II S e m a n a
de estudios del mar
Eros y Mathilde.
Origen
d e lo s m a r e s , c o m o a pa r e c i ó ag ua e n l a
T i e r r a · 179
Eugenia. En 1998 se anunció el descubrimiento de un
cuerpo de 13 km de diámetro orbitando al asteroide Eugenia
de 245 km que recibió primero el nombre de Petit-Prince.
Sylvia. Recientemente el asteroide Sylvia cuya primera luna
Romulus había sido descubierta en el año 2001, se convirtió
en el primer asteroide triple conocido, al descubrirse a su
alrededor un segundo satélite que fue denominado Remus. Los
astrónomos creen que estas lunas fueron eyectadas del asteroide
principal por un impacto en el pasado, y que en el futuro podrían
encontrarse otros satélites más pequeños alrededor de Sylvia.
Itokawa. Después de viajar casi 500 millones de kilómetros, la
sonda japonesa Hayabusa logró insertarse en septiembre de 2005
en una órbita heliocéntrica de estacionamiento a 20 kilómetros de
su destino: el asteroide Itokawa de 300 metros Un par de meses
más tarde descendió en dos oportunidades hacia su superficie para
obtener muestras de la misma. Si logra regresar a nuestro planeta,
previsto en el año 2010, Hayabusa será la primera sonda en traer a
la Tierra muestras de un asteroide.
Itokawa (300 m)(izquierda) y Steins (6 Km) (derecha).
Steins. Es el asteroide más recientemente descubierto por la sonda
espacial ‘Rosetta’, de la Agencia Espacial Europea. Ubicado entre las
órbitas de Marte y Júpiter, a 360 millones de kilómetros de la Tierra.
Tiene forma de brillante y ha sido considerado como “la nueva joya
del Sistema Solar”. Mide 5,9 km de largo y 4 km de alto y tiene al
menos 23 cráteres, el mayor de los cuales mide dos km.
Juno, Sedan, Quaoa, Ixión e Iris son otros importantes asteroides.
Otros asteroides sobrevolados por sondas espaciales en camino hacia
180 · XXV II S e m a n a
de estudios del mar
otros destinos fueron el Braille, visitado por la Deep Space 1 en
1999, y el Annefrank, fotografiado por la sonda Stardust en 2002.
Aunque el gran receptor de impactos, dada su gran masa, fue Júpiter,
la Tierra fue, sin duda, un blanco de numerosos asteroides. De hecho
se ha detectado el impacto sobre el planeta Tierra de 179 asteroides
entre los que son a destacar:
· El de la gran extinción hace 250 millones de años que tenía 6 a 12
Km. No está totalmente probado este suceso.
· El de Yucatán hace 65 millones de años. Parece probado. Destruyó
a los dinosaurios y a una gran parte de la vida terrestre.
· El de Zaragoza, Azuara, producido hace 35 millones de años. El
cráter tiene 30 km de diámetro, fue descubierto hace unos años
por Kord Erntson. El cuerpo que lo produjo mediría unos dos
km de diámetro. La onda de la explosión tendría un alcance de
1000 km y en ese radio la temperatura sería suficientemente alta,
centenares de grados, como para quemar todo.
· El asteroide que generó la Luna que debía tener un tamaño
semejante a Marte
En cuanto a la presencia de agua en asteroides, las observaciones
recientes realizadas mediante el Telescopio Espacial Hubble, han
mostrado que Ceres es un objeto prácticamente esférico y que
posee un interior diferenciado, con material más denso en el núcleo
y minerales más livianos cerca de la superficie. Todos los planetas
rocosos poseen interiores diferenciados por lo cual se considera a Ceres
una especie de “miniplaneta”. Se cree que bajo la corteza de Ceres
existen grandes cantidades de agua helada dado que la densidad del
asteroide es menor a la de la corteza terrestre, y además el espectro de
su superficie muestra la presencia de minerales acuíferos. A diferencia
de la Tierra, en Ceres el agua se encontraría congelada en el manto que
envuelve el núcleo sólido del asteroide. Si Ceres estuviera compuesto
de 25% de agua, podría tener más agua que toda el agua dulce de
la Tierra. La presencia de agua en Ceres muestra que existe alta
probabilidad de que el agua helada esté presente en otros asteroides.
2.3. Agua en la Tierra
Tradicionalmente se ha explicado la presencia del agua en los océanos
de la Tierra con dos teorías que tienen en común la hipótesis de que
el agua procede del mismo planeta Tierra.
Origen
d e lo s m a r e s , c o m o a pa r e c i ó ag ua e n l a
T i e r r a · 181
Una de ellas sostiene que el agua se formó en el centro de La Tierra. la
Tierra recién formada no tenía atmósfera y mucho menos océanos.
Por el contrario, sí había agua, pero ésta estaba combinada con las
sustancias de las rocas que formaban la parte sólida de nuestro
planeta. Debido a la acción de la gravedad, la porción sólida se fue
empaquetando y compactando, lo que provocó un aumento de
la temperatura en su interior. Esto ocasionó que el agua y ciertos
gases abandonaran de forma violenta la roca madre, provocando
enormes cataclismos. Durante millones de años, no cayó una
sola gota de agua del cielo. Los océanos empezaron a formarse
a partir del vapor de agua que salía a borbotones de la corteza
terrestre, y que luego se condensaba. Podría decirse entonces que
los océanos no nos llovieron del cielo, sino que manaron de la
corteza terrestre.
Otra teoría es la sostenida a mediados del siglo XX cuando se
pensaba que la Tierra y los demás planetas estaban formados de
materia arrancada del Sol. La Tierra sufría un gradual proceso de
enfriamiento desde la incandescencia, para pasar luego a un calor
moderado y finalmente al punto de ebullición del agua. Una vez
enfriada lo bastante para que el agua se condensase, el vapor de
agua de la atmósfera caliente de la Tierra pasó a estado líquido y
empezó a llover. Al cabo de muchos años de esta increíble lluvia de
agua hirviendo, las cuencas de la accidentada superficie del planeta
acabaron por enfriarse lo bastante como para retener el agua, llenarse
y constituir así los océanos. Es la teoría más convencional estudiada
en colegios según la cual el agua liquida tuvo su origen en la violenta
degasificación del manto terrestre por alta temperatura durante el
periodo de formación de la Tierra, hace unos 4.600 millones de años
y cuyas emanaciones gaseosas aportaron a la primitiva hidrosfera el
85 % en vapor de agua que, más tarde, se condensaría en los océanos
con el enfriamiento de la corteza terrestre.
Pero pronto se comprobó que ambas teorías no eran en absoluto
satisfactorias. La teoría del origen rocoso porque contaba
implícitamente con la hipótesis de que la Tierra se había formado con
material procedente del Sol y hoy sabemos que tanto la Tierra como
los demás planetas se formaron independientemente y al mismo
tiempo que el Sol. La teoría de la degasificación del manto terrestre,
porque dada la intensidad de la gravedad, la mayor parte del agua
no pudo ser retenida por la Tierra y se perdió definitivamente en el
espacio abierto.
182 · XXV II S e m a n a
de estudios del mar
Era necesario pues buscar una nueva explicación y esta apareció
cuando a finales del S. XX se comprobó que los asteroides y, sobre
todo los cometas, eran los objetos del sistema planetario mas ricos en
agua. Se concibió, entonces, que el agua de la Tierra podía proceder
principalmente de los cometas que en forma de hielo colisionaron
con la Tierra. Al impactar sobre la superficie terrestre liberaron agua
helada y llenaron los océanos o parte de ellos.
Cuando fue planteada la teoría del origen extraterrestre del agua
recibió una gran cantidad de críticas. Una de ellas, quizás la más
importante, es que gracias a las medidas de la relación deuterio
hidrógeno D/H en los cometas Hale Bopp (1998), Hyakutaque (
1998) y Halley (1995), todos ellos procedentes de la Nube de Oort,
se concluía que el agua por ellos transportada era muy diferente al
agua de la Tierra. La relación D/H de los cometas era 3x10-4 y la de
la Tierra 1,5x10-4, es decir, el doble.
Cometa Linear desintegrándose.
Imágenes, en el centro, de los tres cometas conocidos del cinturón principal
Origen
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Pero recientemente dos acontecimientos han venido a modificar esta
situación. Uno de ellos, nos lo ha proporcionado la aparición del
cometa Linear. El 27 de septiembre de 1999, el programa Lincoln
de Investigaciones de Asteroides Cercanos a la Tierra descubrió
este cometa C/1999 S4 (más conocido como “Cometa Linear”).
Sorprendió a los astrónomos al romperse en pedazos cuando pasaba
cerca del Sol. Ahora el fenecido cometa los ha vuelto a sorprender:
Nuevas investigaciones basadas en datos obtenidos en esa ocasión,
muestran que lo más probable es que el agua contenida en el cometa
Linear tuviese la misma composición isotópica que el agua que
encontramos en la Tierra. Esto es con una relación D/H de 1,5 x
10-4
En efecto, el análisis molecular del cometa Linear, antes de
desintegrarse en agosto de 1999, mostró serios indicios de que
el hielo de agua de su núcleo compartía el mismo porcentaje
isotópico de deuterio que presenta el agua de la Tierra. Otro estudio
paralelo revelaba que el interior de su núcleo de 1 km de diámetro
transportaba 3,6 millones de toneladas de agua. Utilizando
telescopios sensibles en la banda del infrarrojo, se pudo averiguar
que este cometa, por su débil concentración de moléculas orgánicas
volátiles (monóxido de carbono, metano, etano y acetileno), no era
un objeto transneptuniano (nube de Oort o cinturón de Kuiper)
sino que se formó en una región más caliente e interna del Sistema
Solar, en el entorno de la orbita de Júpiter.
de Asteroides, la verdadera naturaleza, cometaria o asteroidea, del
133P/Elst-Pizarro ha sido motivo de frecuentes polémicas carentes
de consecuencias. Pero diez años más tarde, en noviembre de 2005,
se descubrió que además del misterioso cometa Elst-Pizarro existían
dos objetos designados como Asteroide 118401 y cometa P1/2005
que estaban eyectando polvo como un cometa. El 33P/Elst-Pizarro
no estaba solo en el cinturón de asteroides.
Al grupo de estos cuerpos helados que se esconden bajo la apariencia
de asteroides en el Cinturón Principal de Asteroides entre Marte
y Júpiter, se les ha llamado “Cometas del Cinturón Principal”.
Describen tres órbitas casi circulares que eyectan materiales volátiles,
produciendo una cola observable durante semanas y a veces hasta
meses.
La existencia de estos cometas del cinturón principal sugiere que
asteroides y cometas están mucho más estrechamente relacionados de
lo que hasta ahora se creía, por lo que las definiciones convencionales
de cometas y asteroides necesitan ser reconsideradas. Por otro
lado, este hallazgo rescata la teoría que afirma que los asteroides
portadores de hielo (o “cometas”) de esta región cercana podrían
haber desempeñado un importante papel en la formación de los
océanos terrestres puesto que podrían ser la fuente principal del
agua actualmente existente en la Tierra.
Los astrónomos pueden, en efecto, conocer donde se ha formado un
cometa, porque ciertas moléculas como el monóxido de carbono, el
metano, el etano, y el acetileno son “volátiles.” Se congelan sólo a
temperaturas extremadamente bajas. Los cometas que se formaron
en las regiones exteriores del Sistema Solar donde hace mucho frío
incluirían estas moléculas heladas en sus núcleos de hielo. Mientras
que los cometas que se formaron más cerca del Sol (donde estas
sustancias permanecen en forma gaseosa) contendrían menos
volátiles.
Todavía no se ha podido examinar la relación D/H de esos cometas
interiores pero, a la vista de la información aportada por el Linear y
en espera de confirmar estos esperanzadores resultados, se ha iniciado
una importante actividad para conocer y analizar mejor el agua de
los cometas. Concretamente, el 4 de julio de 2005, la sonda espacial
Deep Impact de la NASA, lanzó un proyectil que impactó contra el
cometa Tempel 1. Los telescopios espaciales observaron el fenómeno
que aumentó el brillo del cometa unas 30 veces mientras la sonda
Deep Impact, a sólo 500 km del cometa, observó el impacto que
levantó la nube de gas y polvo que se extendió unos 1.800 km.
El segundo acontecimiento consistió en la aparición de unos
extraños cometas. En 1996 y en 2002, el asteroide –cometa 133P/
Elst-Pizarro fue visto exhibiendo una larga cola de polvo típica de
los cometas de hielo, a pesar de tener una órbita plana y circular
que normalmente presentan los asteroides rocosos. Como era el
único objeto con apariencia cometaria en el Cinturón Principal
El proyectil de la Deep Impact se estrelló contra el cometa siguiendo
una trayectoria oblícua, perfectamente captada desde la Tierra. Los
científicos todavía no han podido observar el cráter debido a la gran
cantidad de polvo que se levantó tras la explosión lo que impide la
visión desde los observatorios. Con la cantidad de material obtenido,
las investigaciones proseguirán durante meses e incluso años.
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Órbitas de: 3 cometas del cinturón principal, 5 planetas interiores, 100
asteroides y 2 cometas “típicos” Halley y Tempel 1. Las posiciones de los 3
cometas y de los planetas corresponden al 1 de Marzo de 2006.
Cometa Tempel 1.
De momento, el Temple 1 ya ha sido calificado ‘oficialmente’ como
un cometa del tipo Júpiter donde se producen frecuentes erupciones
de polvo y cenizas en la superficie. Además, es el primer cometa
estudiado que presenta impactos de cráteres en su superficie,
y el primero en el que se encuentran diversas características
topográficas.
El estudio del cometa Linear destruido en su aproximación al Sol y
en particular su contenido de deuterio, así como el descubrimiento
de tres cometas con origen en la zona más templada entre Marte y
Júpiter donde hasta ahora sólo moraban asteroides, ha despejado
una de las mayores dificultades, la anómala relación D/H. La
teoría extraterrestre del origen del agua parece ser que está siendo
progresivamente asumida por la comunidad científica.
Los próximos resultados que aportarán el bombardeo del cometa
Tempel, el regreso de la sonda posada sobre el cometa Itokawa y la
investigación de la sonda Rosetta que en 2014 posará un módulo
de aterrizaje en la superficie del cometa Churyumov-Gerasimenko
de 5Km aportarán, probablemente, suficiente información para
confirmar esta teoría.
Impacto sobre Tempel 1 lanzado desde Deep Impact.
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