Gran salto para la ciencia: lo que sabemos de la Luna por haber ido

Sergio de Régules

Ilustraciones: Dimonika/Shutterstock

A 50 años de la primera misión tripulada a la Luna, las rocas que trajeron los astronautas y los datos científicos de los instrumentos que instalaron en la superficie se siguen aprovechando.

El 25 de julio de 1969 el f lamante Laboratorio de Recepción Lunar de la NASA (LRL) recibió los 21.5 kilos de rocas que trajeron de la Luna los tripulantes del Apolo 11, la primera misión que puso astronautas en la superficie de nuestro satélite. Las rocas venían en cajas herméticas y al vacío para evitar el contacto con la atmósfera terrestre. El LRL y sus protocolos de cuarentena y pruebas biológicas de las muestras lunares se empezaron a planear desde 1964, cuando se decidió que los futuros astronautas trajeran muestras de roca y polvo lunar a la Tierra para estudiarlas científicamente.

La ciencia no estaba contemplada en absoluto cuando, en 1961, el presidente John F. Kennedy se aventó la baladronada de decir que su país iba a poner a “un hombre” en la Luna para fines de la década de los 60. La Unión Soviética, archienemigo de Estados Unidos, estaba ganando la carrera espacial a pasos agigantados con el primer satélite artificial (el Sputnik 1) en 1957, la primera fotografía del lado oculto de la Luna (tomada por la sonda Luna 3) en 1959 y el primer humano en el espacio (el cosmonauta Yuri Gagarin) en 1961. Estados Unidos tenía que responder con algo más impresionante. Pero el objetivo era únicamente ganarles a los soviéticos. Una cuestión de puro machismo geopolítico.

La ciencia tuvo que pedir permiso para ir, pero una vez que se decidió aprovechar la vuelta para hacer algo de ciencia, los científicos no tardaron en señalar que traer a la Tierra material de otro mundo podría acarrear problemas. Habría que manejar ese material con mucha precaución para que no se contaminara de efluvios terrestres —y para evitar que el material contaminara la Tierra.

Recolección de pequeñas muestras de la Luna de entre 1.3 y 2.5 cm (Apolo 17, diciembre de 1972). Imagen: NASA.

La Luna desde aquí

Hay muchas cosas que podemos saber de la Luna sin tener que ir. Algunas de esas cosas las descubrió Galileo Galilei en el siglo XVII con el telescopio que se fabricó luego de oír hablar de un instrumento parecido que se vendía en los mercados de Holanda. Otras cosas, como la distancia aproximada, se sabían desde la antigüedad por métodos trigonométricos. Cuando Galileo apuntó su telescopio a la Luna observó que la línea que separa lo oscuro de lo iluminado no es nítida, sino irregular y fragmentada. Notó que en la parte oscura se formaban manchas de luz aisladas que al paso de las horas se iban integrando a la parte clara, y dedujo que esto se debía a desniveles en la superficie lunar. En la Luna, por lo tanto, había montañas y no era la esfera perfecta y etérea que pensaban sus contemporáneos, sino un mundo como la Tierra. Galileo dedujo que lo blanco de la Luna eran tierras más altas que las manchas oscuras, llamadas “mares” desde la antigüedad, y explicó que la pálida luz que ilumina la parte oscura de la media luna es el claro de Tierra (luz reflejada por la Tierra hacia la Luna).

Al paso de los años, con mejores instrumentos y teorías para aprovecharlos, se supieron más cosas de la Luna, como su masa (a partir de su movimiento orbital), pero hay cosas —como la composición química, la antigüedad, la estructura interna y el origen— que sólo se pueden saber yendo a la Luna.

Misión lunar

El Apolo 11, culminación de casi una década de esfuerzo de la NASA, despegó el 16 de julio de 1969. Cuatro días después el módulo de alunizaje Eagle se posaba en la superficie lunar mientras el módulo de mando Columbia permanecía en órbita, tripulado por Michael Collins. Se abrió una escotilla. Neil Armstrong bajó por una escala y de un saltito final puso pies en la Luna al tiempo que pronunciaba su famosa frase: “Es un pequeño paso para un hombre, pero un gran salto para la humanidad”. Luego bajó Buzz Aldrin.

Armstrong y Aldrin estuvieron 21 horas 36 minutos en la Luna, de las cuales dedicaron dos y media a trabajar fuera del módulo. La actividad extravehicular estaba rígidamente planeada y consistía en recolectar muestras de roca y polvo e instalar instrumentos científicos que enviarían sus mediciones directamente a la Tierra durante varios años. Luego los astronautas volvieron al módulo lunar y éste despegó para acoplarse con el módulo de mando. Los astronautas se metieron en la cápsula de reingreso, se desacoplaron de los módulos y emprendieron la vuelta. Lo que quedaba del impresionante ensamblaje de 110 metros de altura que despegó de la Tierra una semana antes acuatizó en el océano Pacífico el 24 de julio de 1969. Al día siguiente las muestras lunares llegaban al LRL.

En el laboratorio las muestras fueron sometidas a varias pruebas. Una roca que tenía toda la cara de ser magma solidificado se fundió para ver de qué tipo de lava provenía. Otras muestras se pusieron en presencia de ratones, peces, codornices, camarones, ostras, insectos y plantas en recipientes herméticos. A estos organismos expuestos a los posibles miasmas del material lunar no les pasó nada: las rocas lunares podían distribuirse entre científicos de todo el mundo para empezar a explotar el tesoro de datos.

Seis meses después del regreso de Armstrong, Aldrin y Collins despegaba la misión Apolo 12 con otros tres astronautas. Hubo seis misiones tripuladas que alunizaron en distintas regiones. En total 12 humanos han pisado la Luna, los últimos en 1972.

Estudio de muestras en el Laboratorio de Recepción Lunar (Apolo 11, julio de 1969). Foto: NASA.

Explosión científica

A partir de septiembre de 1969 empezaron a publicarse montones de artículos científicos basados en las muestras lunares y en los datos de los instrumentos que instalaron los astronautas en la Luna. La prueba de la roca fundida dio un líquido de la consistencia del aceite de coche. Eso explicaba por qué en la Luna, pese a que las manchas llamadas mares son grandes extensiones de lava, no se veían volcanes ni escudos volcánicos (volca nes muy planos): la lava era demasiado fluida para acumularse y hacer montón.

Las rocas lunares más antiguas según los primeros datos tenían unos 4 000 millones de años, o sea, algo menos que las de la Tierra. Y las hay de varios tipos. Unas son lava solidificada, otras acusan en su estructura la historia de impactos violentos y continuos que también se lee en los cráteres. Las muestras del Apolo 16, en particular, permitieron zanjar el añejo debate entre los que creían que los cráteres eran volcanes y los que pensaban que eran huellas de impactos. El marcador quedó así: impactos 1, volcanes 0.

Los mares, o tierras bajas de la Luna, son grandes extensiones de lava de distintas antigüedades; las tierras altas están hechas de rocas impactadas de tamaños que van de polvo a bloques de varios metros. Las muestras de las tierras altas, complementadas con las fotos tomadas desde la órbita lunar, contribuyeron también a entender el mecanismo de formación de cráteres.

Muestra de roca núm. 15415 (Apolo 15, agosto de 1971). Foto: NASA.

Temblores lunares

Los astronautas de las misiones Apolo instalaron en la superficie de la Luna magnetómetros, sondas de flujo de calor y sismómetros. Esta red de instrumentos operó hasta el 30 de septiembre de 1977, cuando se suspendieron las operaciones por falta de presupuesto.

En la Tierra usamos las estaciones sismográficas para determinar el epicentro y la magnitud de los temblores, pero también para sondear el interior del planeta. Las estructuras internas de la Tierra hacen rebotar y desviarse las ondas sísmicas. Estos rebotes y desviaciones se pueden identificar en la superficie y a partir de ellos podemos construir una imagen de las entrañas de la Tierra como si le hiciéramos un ultrasonido. Así también los sismómetros de la Luna han permitido construir modelos del interior de nuestro satélite.

Un equipo de investigadores dirigidos por Yosio Nakamura, de la Universidad de Texas, compiló los datos recogidos durante los ocho años de operación de los sismómetros lunares y los convirtió en un archivo digital. Las computadoras de la época se atragantaban con tantos datos, así que Nakamura y sus colaboradores tuvieron que imprimir los sismogramas y analizarlos a ojo. Nakamura y amigos descubrieron varios tipos de sismos. Los más interesantes eran los que ocurrían a entre 700 y 1 000 kilómetros de profundidad. Entre 1969 y 1977 se registraron más de 1 500 de estos sismos profundos. Los investigadores notaron que la actividad sísmica aumentaba y disminuía con un periodo de 28 días. Ese es el tiempo que tarda la Luna en darle una vuelta a la Tierra. No podía ser casualidad. El máximo de actividad coincidía con los días en que la Luna estaba más cerca de la Tierra (el perigeo). Nakamura y sus colaboradores concluyeron que estos sismos se deben a las fuerzas de marea que ejerce la Tierra sobre la Luna, las cuales estiran al satélite en la dirección del eje Tierra-Luna (la Luna produce el mismo efecto sobre la Tierra, y por eso sube y baja la marea). Conforme gira la Luna sobre su eje, estas fuerzas la estiran y la comprimen como si la amasaran, lo que calienta y perturba el interior e incrementa la frecuencia de los sismos profundos. Nakamura encontró también sismos someros que ocurren a 30 o 40 kilómetros de profundidad y que posiblemente se deban a derrumbes en las laderas de los cráteres.

También causan temblores los impactos —de meteoritos o de lo que sea—, lo que aprovecharon los astronautas para calibrar los sismómetros estrellando contra la Luna los módulos de ascenso después de usarlos para regresar al módulo de mando. Como se conocía la masa y la velocidad de estos objetos, también se sabía la energía de los impactos artificiales. Recientemente Renee Weber, del Centro Espacial Marshall de la NASA, y un equipo de colaboradores de Estados Unidos y Francia, reanalizaron los datos de la red de sismómetros lunares con nuevas técnicas y nuevas computadoras. Weber y sus colaboradores consiguieron afinar el modelo del interior de la Luna que se ha ido construyendo desde los años 70 con estos datos, más otros de los que les contaré más adelante. Se enfrentaron al problema de que la corteza lunar es muy rígida y se queda vibrando como campana después de un sismo, lo que impide distinguir las ondas que regresan después de viajar por el interior del satélite. Los investigadores se las ingeniaron para eliminar este ruido y en 2011 reportaron en la revista Science que la Luna tiene un núcleo sólido de unos 240 kilómetros de radio, seguido de una capa de roca fundida de unos 90 km de espesor y una capa de material semifundido de 150 kilómetros. Las cantidades no son muy exactas. Para mejorarlas harían falta más sismómetros en la Luna.

Espejito, espejito

Las misiones Apolo 11, 14 y 15 dejaron en la superficie lunar unos espejos especiales, llamados retrorreflectores, que reflejan la luz que incide en ellos en la misma dirección en la que llegó. Para usarlos se lanza un rayo láser desde un observatorio a alguno de los espejos, cuyas ubicaciones se conocen con precisión, y se mide el tiempo que tarda la luz en regresar. Este lapso multiplicado por la velocidad de la luz en el vacío (con una pequeña corrección que corresponde al paso de la señal por la atmósfera, donde su velocidad es menor) da la distancia entre el observatorio y el espejo con una precisión de milímetros.

Las distancias así medidas se han usado a lo largo de 50 años para estudiar el movimiento orbital y el movimiento de rotación de la Luna. Esto tiene varias aplicaciones. La rotación de la Luna da una idea de la consistencia de su interior igual que la rotación de un huevo permite saber si está crudo o cocido. Estos datos complementan los de sismología para construir modelos de la estructura interna de la Luna. El movimiento orbital detallado se ha usado para medir la constante de gravitación universal, poner a prueba el principio de equivalencia de Einstein (en el que se basa la teoría general de la relatividad) y hasta cuantificar los movimientos de los continentes aquí en la Tierra. Gracias a estos espejos hoy sabemos que la Luna se está alejando de la Tierra a razón de 3.8 centímetros por año. También sabemos que la constante de gravitación universal no cambia en más de 20 o 30 partes por billón en el lapso de un año (o sea, que es constante, vaya).

En 1968 el físico Kenneth Nordtvedt demostró que algunas teorías de la gravedad alternativas a la relatividad general de Einstein exigían una pequeña diferencia entre la aceleración con la que la Tierra y la Luna caen hacia el Sol en su movimiento conjunto alrededor de este. En 1990 Eric Adelberger y sus colaboradores mostraron con datos de distancias a los espejos lunares que la Luna y la Tierra caen hacia el Sol con la misma aceleración, exactamente como las dos bolas de distinto peso que soltó Galileo desde lo alto de la torre de Pisa, lo que elimina esas teorías alternativas.

El gran impacto

Desde el primer análisis geoquímico de las rocas del Apolo 11 emergió una visión del origen de la Luna que exigía que al principio nuestro satélite fuera una bola de magma ardiente. Los materiales pesados se fueron hacia el centro y los ligeros quedaron en la superficie, lo que explica bien la composición de las rocas de las tierras altas y lo que sabemos del interior de la Luna gracias a los sismómetros y los espejos retrorreflectores. Pero ¿de dónde salió este océano de magma global?

Donald Davis y William Hartman lo explicaron así en 1975: al poco tiempo de la formación del Sistema Solar un mundo a medio formar chocó con la proto- Tierra. Con el impacto ambos se fundieron, convirtiendo el espacio circundante en un caos de glóbulos de magma rondándose unos a otros por efecto de la gravedad. Al paso del tiempo se condensaron dos nuevos mundos. Además de explicar el océano de magma inicial, este modelo daba cuenta del parecido geoquímico entre la Luna y la Tierra, así como de la antigüedad de la Luna.

Cuando fue posible simular esta colisión con computadoras, en los años 80, los modelos mostraron que la Luna quedaría formada casi exclusivamente de material del objeto impactador y no de una mezcla de material de ambos mundos, lo que dejaría sin explicación el parecido geoquímico. Simulaciones posteriores más precisas muestran lo mismo, lo que ha puesto a pensar a los especialistas. Variando los tamaños relativos de la proto-Tierra y el proyectil se obtiene una Luna más mezclada, pero la Tierra y la Luna quedan girando demasiado rápido. Pese a estos problemas, la hipótesis del “gran impacto” sigue siendo el consenso, pero las cosas podrían cambiar.

Han pasado 50 años y la información que aportaron las misiones tripuladas se siguen aprovechando. Los viajes a la Luna fueron un gran salto para la ciencia mundial.