Tiene 4,374 millones de años el mineral más viejo del mundo ¿Por qué importa saberlo?

Imagen ampliada del cristal de circón estudiado, para el que se determinó una edad de 4,374 ± 6 millones de años. El largo del cristal mostrado es de ~ 0.4 milímetros.  © John Valley, Universidad de Wisconsin.

Imagen ampliada del cristal de circón estudiado, para el que se determinó una edad de 4,374 ± 6 millones de años. El largo del cristal mostrado es de ~ 0.4 milímetros. © John Valley, Universidad de Wisconsin.

El pasado 23 de febrero un grupo de investigadores de varios países, que incluyó como uno de sus principales colaboradores al Dr. Aaron Cavosie, profesor del Departamento de Geología del RUM, publicó un importante artículo científico en la prestigiosa revista Nature Geoscience[1]. En este trabajo, liderado por el Dr. John Valley, de la Universidad de Wisconsin en Madison, el grupo demostró que un pequeño cristal del mineral circón extraído a su vez del interior de una roca obtenida de las “Jack Hills”, una remota región en el extremo oeste de Australia, tiene la mayor edad confirmada hasta ahora para cualquier mineral terrestre: 4,374 millones de años. La noticia le dio la vuelta al mundo: la recogieron las cadenas noticiosas principales, apareció en periódicos de casi todos los países, el Dr. Cavosie fue entrevistado vía telefónica desde Australia para preguntarle acerca de la investigación realizada. A primera vista el mayor interés del trabajo publicado parece ser simplemente que la muestra estudiada rompió un récord de antigüedad. Esto llama la atención, pero no es lo más importante. Para entender mejor por qué tenemos que referirnos a preguntas que nos hemos hecho desde antes del comienzo de la historia escrita, y seguramente desde los tiempos en que primero podríamos reconocer como humanos a nuestros antepasados.

Aaron Cavosie

Aaron Cavosie

La curiosidad humana siempre ha sido estimulada por los astros siderales y las regularidades que podemos notar en sus movimientos. Hace ya miles de años algunos notaron que, aunque al ojo aparecen como si fuesen estrellas, los que llamamos planetas parecen moverse de manera muy distinta en el firmamento. Fueron llamados estrellas “errantes” por los antiguos griegos, de quienes heredamos así la palabra “planeta”. Varios de los personajes más célebres en la historia de la ciencia (Ptolomeo, Copérnico, Kepler, Galileo, Newton) dedicaron esfuerzos a explicar estas observaciones. Eventualmente –hacia el siglo XVII– ya quedó claro que los planetas se mueven en órbitas alrededor del sol y que la Tierra es un planeta más del sistema solar. No bien esto quedó establecido, como suele suceder en la investigación científica, surgieron nuevas preguntas.

Al haberse demostrado además que los planetas se mueven en órbitas que están esencialmente en un mismo plano y que se trasladan todos en la misma dirección alrededor del sol, que es también el mismo sentido en el que gira el sol alrededor de su eje, pareció evidente que probablemente esto no era una casualidad. Algunas de las más grandes mentes del siglo XVIII, incluyendo al filósofo Immanuel Kant, especularon que la coincidencia apuntaba a una formación común para los planetas a partir de una nube de material gaseoso en forma de disco girante (la “hipótesis nebular”). En el último siglo, con los grandes avances logrados en la astronomía, se fue acumulando evidencia para apoyar y extender esa idea, hasta llegar a ser actualmente la teoría de formación planetaria más ampliamente aceptada por astrónomos y cosmólogos. La misma acumulación de evidencia que ha contribuido a la creciente aceptación de esta teoría ha permitido también que se torne cada vez más detallada y atrayente. Esto es particularmente cierto en el caso del planeta Tierra, no sólo por ser el nuestro y por tenerlo a la mano sino porque su formación y desarrollo envuelve la complejidad adicional de la formación de la Luna, un satélite bastante distinto de los que circundan varios de los otros planetas del sistema solar, que son insignificantes en comparación con sus respectivos planetas.

Luego de un período de acreción de cuerpos menores y polvo que habría durado decenas de millones de años a partir  del evento de ignición del sol,[2] se habrían formado los primeros cuerpos identificables por su tamaño como planetas, incluyendo los cuatro más cercanos al sol  –los planetas “terrestres”– que por sus mayores temperaturas no acumularon materiales volátiles, y los cuatro gigantes fríos en órbitas más alejadas que la de Marte, el cuarto planeta terrestre.  Como resultado de las frecuentes colisiones, así como de la energía liberada por materiales radiactivos, las temperaturas del proto-planeta Tierra serían suficientes para derretir minerales y favorecer un estado de intenso volcanismo.  Los geólogos llaman Hádico a esta primera etapa de la Tierra, que comenzó hace unos 4,560 millones de años, para aludir a las condiciones infernales que debieron existir (aunque el mundo de los espíritus de los muertos en la mitología griega, regido por el dios Hades, no era un sitio particularmente caliente).  Es en este eón Hádico que ocurre la diferenciación en capas del planeta, desde un núcleo más denso, principalmente formado por hierro y níquel, hasta una corteza relativamente muy delgada, formada mayormente por materiales menos densos tales como silicatos, aluminatos y carbonatos. Temprano en este período que duró cerca de 600 millones de años, una colisión entre el proto-planeta Tierra y otro proto-planeta menor habría originado el sistema Tierra-Luna. Tal cataclismo produciría enormes cambios en la corteza terrestre, incluyendo posiblemente la formación de un océano de magma.  En general, las rocas en la corteza actual son muy posteriores a este evento, pues los continuos procesos geológicos y –aunque con intensidad decreciente– el bombardeo por asteroides durante los miles de millones de años transcurridos han alterado la corteza completamente desde entonces.  Sin embargo, en ciertos lugares de la superficie terrestre quedan expuestas o a poca profundidad rocas de gran antigüedad y en algunos casos éstas contienen granos cristalinos de circón que han sido datados al eón Hádico.  Estos cristales son un magnífico regalo de la naturaleza a quienes estudian la pasada evolución de la Tierra.

El circón es un silicato de circonio bastante duro y sumamente estable, que además contiene trazas de uranio. Estas trazas permiten usar técnicas radiométricas para calcular el tiempo transcurrido desde que el material se cristalizó. En particular, los núcleos del isótopo uranio-238, el más abundante en el uranio natural, se transmutan espontáneamente en torio-234 por emisión de partículas α.  Esta transmutación tiene una semivida (el tiempo que transcurre para que la mitad de los núcleos inicialmente presentes se transmute) de 4,468 millones de años.  Es seguida por otras, con semividas mucho más cortas, hasta que el núcleo original de uranio-238 termina convertido en uno de plomo-206, que es estable y no sufre decaimiento radiactivo espontáneo.  La cadena de transmutaciones ha sido muy bien estudiada por los físicos nucleares y, gracias a la larga semivida de la transición inicial U238 → Th234, la proporción de isótopos de Pb206 a los de U238 presentes en una muestra de mineral pueden usarse para medir el tiempo transcurrido desde que se solidificó.[3]  Sin embargo, es crucial que se cumplan ciertas condiciones que aseguren que durante todo ese tiempo no se hayan infiltrado ni escapado átomos de la muestra, lo que provocaría variaciones de las concentraciones y por tanto dataciones erróneas.  Afortunadamente, la gran estabilidad del circón y el hecho de que su estructura cristalina no admite la presencia de átomos de plomo al solidificarse lo hace ideal para este propósito, puesto que si no hay fracturas en la muestra todos los núcleos de plomo que se encuentren deben ser de origen radiogénico, es decir: causados por decaimiento radiactivo.  Estos granos cristalinos de circón son entonces como “cápsulas del tiempo” que resultan particularmente informativas respecto a eventos de cristalización que ocurrieron hace miles de millones de años.

En fotos tomadas desde satélites las “Jack Hills” parecen más bien como una larga y vieja cicatriz sobre una árida región del oeste australiano. En efecto, hay en esta formación rocas bastante antiguas, pero dentro de algunas se encuentran pequeños cristales de circón con edades de sobre 4,000 millones de años. Ahora, uno de estos, encontrado por el Dr. Cavosie en el interior de una roca de arenisca tomada de este remoto lugar, ha demostrado tener la mayor antigüedad jamás medida en cualquier muestra de origen terrestre. Sin embargo, la mayor contribución del trabajo publicado no es haber roto el récord de antigüedad –que podría ser roto más tarde– sino que la combinación de técnicas muy sofisticadas que fueron aplicadas por el grupo de investigadores despejó dudas existentes sobre la certeza de las edades determinadas para otros cristales similares de circón. La contribución del Dr. Cavosie incluyó parte del trabajo para datar la muestra, usando espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS, por sus siglas en inglés) una técnica muy sensitiva que permite medir concentraciones de distintos isótopos en muestras sólidas.  Las muestras son bombardeadas con un haz de iones (usualmente de argón) acelerados a velocidades suficientemente altas como para arrancar átomos de la muestra, que también resultan ionizados en el proceso. Estos son los iones llamados “secundarios”, cuyas masas se pueden entonces analizar separando sus trayectorias con la aplicación de campos eléctricos o magnéticos apropiados y que son entonces detectados. El margen de error de los resultados presentados por el Dr. Cavosie y sus colegas es de ± 6 millones de años. Para apreciar la precisión del resultado hay que notar que esto representa un error porcentual de solamente ± 0.14 %. De entre más de 200,000 granos de circón de la misma región, solamente unos pocos tienen edades de más de 4,350 millones de años, según resultados de datación por SIMS. El trabajo recién publicado se concentró en el más antiguo de todos.

En el minucioso estudio se prestó además especial atención a la migración en los cristales de los átomos de plomo que resultan de las series de transmutaciones. Esta migración podría haber alterado las concentraciones de plomo en las muestras, lo que generaba dudas acerca de dataciones previas con muestras similares. Sin embargo, se demostró que la migración de los átomos de plomo es insignificante para efectos de las dataciones realizadas.  (La presencia inicial de plomo quedó excluida al determinarse la concentración del isótopo Pb204, que no es radiogénico, era nula o insignificante.) El trabajo publicado resulta así no sólo en una datación muy precisa de la antiquísima muestra sino en una justificación para otros resultados semejantes y en el desarrollo de una metodología ejemplar para futuros trabajos en este campo.

Por añadidura, el resultado para la edad del pequeño cristal de circón australiano ha reducido a menos de 100 millones de años el estimado del intervalo de tiempo entre el catastrófico impacto que habría dado origen a la Luna y la formación de una corteza terrestre continental de la que quedan escasos vestigios en la actualidad. En el marco más amplio, el trabajo publicado contribuye significativamente a seguir armando el rompecabezas del origen y evolución de nuestro excepcional planeta.

Félix E. Fernández

9 de marzo de 2014

[1]  http://www.nature.com/doifinder/10.1038/ngeo2075

[2]  El estimado actual para el inicio de la ignición solar es de poco menos de 4,600 millones de años en el pasado. El proceso ocurrió por la compresión gravitacional de gas en el centro del  disco nebular, lo que permitió alcanzar las altas temperaturas (del orden de 10 millones de grados C) necesarias para producir fusión termonuclear de núcleos de hidrógeno para producir helio y convertir en energía parte de la masa inicial.  Es entonces que el centro del disco nebular se convirtió en una estrella, lo que además de “hacer la luz” en el sistema solar tuvo formidables consecuencias.  El polvo inicialmente presente en el disco nebular se atribuye a los restos de la explosión de una o más estrellas supernovas.

[3] El isótopo U235 (también presente en el uranio natural, pero en concentración mucho menor) con semivida de 704 millones de años, se trasmuta en Th231.  Esta transmutación es seguida por otras mucho más cortas hasta que el núcleo original se convierte en Pb207, que como el Pb206 es estable.  Así, la concentración relativa de isótopos Pb207 y Pb206 en la muestra puede ofrecer una verificación interna de la edad calculada por las concentraciones de U238 y Pb206.  Las concentraciones relativas de Pb207 y Pb206 ofrecen una tercera ruta para verificar las edades. Esta metodología fue importante en el trabajo comentado y las tres edades determinadas están de acuerdo entre sí con  gran precisión.

2 comentarios en “Tiene 4,374 millones de años el mineral más viejo del mundo ¿Por qué importa saberlo?

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