Más de medio siglo después del último aterrizaje tripulado, una nueva carrera espacial lunar está en marcha, con el lanzamiento de la misión Artemis II de la NASA la semana pasada y los Estados Unidos, Rusia y China con el objetivo de establecer bases permanentes en la Luna.
La publicación de la Agencia Espacial Israelí explica que a diferencia del programa Apolo, durante el cual los astronautas estadounidenses aterrizaron en seis sitios diferentes en la superficie lunar, las misiones del siglo XXI se centran en un solo lugar: el Polo Sur de la Luna. El pionero de los vuelos espaciales Robert H. Goddard propuso hace más de un siglo que los depósitos de hielo podrían existir en los polos lunares, y la evidencia indirecta recopilada en los últimos 20 años ha apoyado esta hipótesis. En la exploración espacial, el hielo es un recurso muy buscado: se puede procesar en agua para beber y regar, dividirse en combustible para cohetes para viajar al espacio profundo e incluso usarse para estudiar la historia de los cuerpos celestes.
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Ahora, investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann, junto con colaboradores en los Estados Unidos, han descubierto nuevas pruebas científicas que muestran que el hielo se ha estado acumulando gradualmente en los polos de la Luna durante al menos 1.500 millones de años. Su nuevo estudio, publicado hoy en Nature Astronomy, identifica antiguas “trampas frías” en la superficie lunar y las designa como objetivos principales para futuras misiones.
A diferencia de la Tierra, cuyo eje inclinado hace que la posición del Sol en el cielo cambie a lo largo del año, la Luna casi no tiene inclinación, y el Sol siempre se coloca aproximadamente por encima de su ecuador. Si estuvieras parado en uno de los polos lunares, verías que el Sol se mantiene cerca del horizonte mientras completa un ciclo mensual en lugar de levantarse y ponerse como lo hace en la Tierra. Como resultado, la luz solar no puede alcanzar y calentar los cráteres profundos y empinados en los polos lunares, que se conocen como “regiones permanentemente sombreadas”.
Este no siempre fue el caso. En el pasado lejano, la Luna tenía una inclinación axial mucho mayor, pero durante los últimos miles de millones de años se ha estado enderezando. En 2023, los investigadores demostraron que a medida que la inclinación de la Luna disminuía, cada vez más cráteres cerca de los polos se sombrearon permanentemente y se enfriaron dramáticamente. Al calcular cuándo cada cráter perdió su exposición a la luz solar, pudieron deducir la “edad” de cada región permanentemente sombreada.
En el nuevo estudio, el profesor Oded Aharonson del Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias de Weizmann y sus colaboradores, el profesor Paul Hayne de la Universidad de Colorado Boulder y el Dr. Norbert Schörghofer, del Instituto de Ciencias Planetarias de Honolulu, se propuso examinar si hay una conexión entre la edad de una región permanentemente sombreada y la proporción de su área cubierta por hielo.
El hielo refleja más luz ultravioleta a ciertas longitudes de onda que la superficie rocosa de la Luna, lo que permite inferir dónde se encuentra. La luz ultravioleta proporciona una ventaja porque emana no solo del Sol, sino también de estrellas distantes, y puede entrar en áreas permanentemente sombreadas. Los investigadores analizaron los datos recopilados por un instrumento sensible a los ultravioletas a bordo del Orbiter de Reconocimiento Lunar de la NASA, que ha estado orbitando y mapeando la Luna desde 2009.
“Descubrimos que cuanto antes una región se sombreaba, más grande era el área que podía acumular hielo”, dice Aharonson. “Esta tendencia comenzó hace al menos 1.500 millones de años y ha continuado incluso en los últimos 100 millones de años. Esto sugiere que el hielo se ha estado acumulando en la Luna a partir de una fuente casi continua, o fuentes, en lugar de a través de un solo evento, como un gran impacto de cometa”.
Para que el hielo no solo se forme en la superficie lunar, sino que también persista durante cientos de millones o incluso miles de millones de años sin evaporarse, se requieren temperaturas extremadamente bajas, alrededor de menos 160 grados Celsius. Las regiones que mantienen tales temperaturas durante todo el año se conocen como trampas frías. Mientras que muchas regiones permanentemente sombreadas califican como trampas frías, algunas no lo hacen, porque las paredes circundantes pueden irradiar calor al cráter.
Para identificar los lugares más prometedores para encontrar hielo lunar, los investigadores utilizaron cálculos geométricos para determinar qué regiones permanentemente sombreadas también funcionan como trampas frías, y cuándo en la historia de la Luna adquirieron este estado.
“Cuanto más tiempo una región determinada ha sido una trampa fría, más hielo se ha acumulado”, explica Aharonson. “En la mayoría de los casos, un cráter se convirtió en sombra y se convirtió en una trampa fría al mismo tiempo, pero no siempre. Por ejemplo, el cráter de Shackleton ha estado sombreado durante unos 3.500 millones de años y fue considerado un sitio prometedor en la búsqueda de hielo lunar. Sin embargo, descubrimos que solo se convirtió en una trampa fría hace unos 500 millones de años. Para identificar objetivos para futuras misiones, buscamos las trampas frías más antiguas y encontramos varias extensas de más de 3.300 millones de años cerca del Polo Sur de la Luna”.
Estos hallazgos son especialmente significativos, ya que la localización y el muestreo de hielo lunar es uno de los principales objetivos de las futuras misiones tripuladas de Artemis de la NASA, programadas para aterrizar astronautas en el Polo Sur de la Luna. La visión a largo plazo de la NASA incluye el establecimiento de una base lunar permanente para servir como preparación, y posiblemente como estación de tránsito, para futuras misiones tripuladas a Marte.
“La prueba de oro estándar de la existencia de hielo en la Luna sería una muestra de él”, dice Aharonson. “Nos permitiría comparar la composición química del agua en la Luna con la de la Tierra, y evaluar si, y cómo, las misiones lunares tripuladas podrían hacer uso de este recurso”.
El estudio proporciona motivación para la exploración de seguimiento de las trampas frías más antiguas y proporciona orientación sobre las mejores ubicaciones para apuntar, como el Cráter Haworth, una de las antiguas trampas frías recientemente identificadas. “Las futuras misiones de la nave espacial podrían recopilar datos extensos sobre el hielo de la superficie del cráter, y los rovers podrían acercarse, entrar y muestrear los depósitos de hielo”, dice Hayne.
Los orígenes del hielo lunar
Aunque el origen del agua lunar sigue sin resolverse, los investigadores construyeron un modelo matemático simple para explorar varias posibilidades. Según el modelo, la cantidad de hielo en la superficie de la Luna se ve afectada por tres procesos: el suministro de agua, la evaporación y lo que se conoce como jardinería de impacto, un proceso en el que la perturbación del suelo lunar y las rocas redistribuye el hielo y lo entierra debajo de la superficie.
La observación de que se encuentra relativamente poco hielo en las trampas de frío más jóvenes, combinada con la lenta acumulación de hielo durante cientos de millones de años, llevó a los investigadores a concluir que tanto el suministro de agua como la pérdida de agua en la Luna ocurren a tasas relativamente rápidas, como un grifo llenando un cubo con fugas.
Una fuente propuesta de agua lunar es que el agua volátil del interior de la Luna llega a la superficie a través de la actividad volcánica. Otra posible fuente es el viento solar: una corriente de átomos de hidrógeno capaz de participar en reacciones químicas en la superficie lunar para formar agua. Una tercera opción son los impactos de asteroides y cometas, no un solo evento catastrófico, sino múltiples impactos que ocurren cada pocos millones de años.
“Encontrar agua más allá de la Tierra en forma líquida y utilizable es uno de los desafíos más importantes en astronomía”, dice Aharonson. “Las misiones lunares planificadas pueden ayudarnos a determinar el origen del agua en la Luna, pero también podrían enseñarnos mucho más. Como satélite natural de la Tierra, la Luna es un excelente laboratorio para estudiar la historia de nuestro planeta y su agua. Además, podemos obtener información sobre la composición y distribución del agua que podría estar esperándonos en planetas y lunas más distantes que aún no hemos visitado”.