Realizado por un equipo de científicos jóvenes y investigadores de larga trayectoria de la División de Investigación y Exploración de Astromateriales (ARES) en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, el estudio ofrece la primera evidencia experimental y geoquímica directa de que el sulfuro fundido, en lugar del metal, podría filtrarse a través de la roca sólida y formar un núcleo, incluso antes de que el manto de silicato de un planeta comience a derretirse.

Durante décadas, los científicos creyeron que la formación de un núcleo requería la fusión a gran escala de un cuerpo planetario, seguida del hundimiento de elementos metálicos pesados ​​hacia el centro. Este estudio presenta un nuevo escenario, especialmente relevante para los planetas que se forman más lejos del Sol, donde el azufre y el oxígeno son más abundantes que el hierro. En estos entornos ricos en volátiles, el azufre se comporta como la sal de carretera en una calle helada: reduce el punto de fusión al reaccionar con el hierro metálico para formar sulfuro de hierro, que puede migrar y combinarse para formar un núcleo. Hasta ahora, los científicos desconocían si el sulfuro podía atravesar la roca sólida en condiciones reales de formación planetaria.

Trabajar en este proyecto nos impulsó a ser creativos. Fue emocionante ver cómo ambos flujos de datos convergían en una misma historia.

Dr. Jake Setera
Científico de ARES con Amentum

Los resultados del estudio brindaron a los investigadores una forma de observar directamente este proceso utilizando imágenes 3D de alta resolución, lo que confirma modelos de larga data sobre cómo puede ocurrir la formación del núcleo a través de la percolación, en la que el sulfuro líquido denso viaja a través de grietas microscópicas en la roca sólida.

“Pudimos ver en representaciones tridimensionales cómo los sulfuros fundidos se desplazaban a través de la muestra experimental, filtrándose en las grietas entre otros minerales”, afirmó el Dr. Sam Crossley, de la Universidad de Arizona en Tucson, quien dirigió el proyecto durante su estancia postdoctoral en la División ARES de la NASA Johnson. “Esto confirmó nuestra hipótesis: que en un entorno planetario, estos densos fundidos migrarían al centro de un cuerpo y formarían un núcleo, incluso antes de que la roca circundante comenzara a fundirse”.

Recrear las condiciones de formación planetaria en el laboratorio requirió no solo precisión experimental, sino también una estrecha colaboración entre científicos noveles de ARES para desarrollar nuevas formas de observar y analizar los resultados. Los experimentos de alta temperatura se realizaron primero en el laboratorio de petrología experimental, tras lo cual las muestras resultantes —o "productos de ejecución"— se trasladaron al laboratorio de tomografía computarizada de rayos X (XCT) de la NASA Johnson para su obtención de imágenes.

El Dr. Scott Eckley, científico de rayos X y coautor del estudio, de Amentum en la NASA Johnson, utilizó XCT para generar representaciones 3D de alta resolución, revelando las bolsas de fusión y las vías de flujo dentro de las muestras con detalle microscópico. Estas visualizaciones permitieron comprender el comportamiento físico de los materiales durante la formación inicial del núcleo sin destruir la muestra.

Las visualizaciones 3D XCT confirmaron inicialmente que los sulfuros fundidos podían filtrarse a través de la roca sólida en condiciones experimentales, pero esto por sí solo no permitía confirmar si la formación de núcleos por filtración ocurrió hace más de 4.500 millones de años. Para ello, los investigadores recurrieron a los meteoritos.

“Dimos el siguiente paso y buscamos evidencia química forense de percolación de sulfuros en meteoritos”, dijo Crossley. “Al fundir parcialmente sulfuros sintéticos infundidos con trazas de metales del grupo del platino, pudimos reproducir los mismos patrones químicos inusuales encontrados en meteoritos ricos en oxígeno, lo que proporciona evidencia sólida de que la percolación de sulfuros ocurrió bajo esas condiciones en el sistema solar primitivo”.

Para comprender la distribución de oligoelementos, el coautor del estudio, el Dr. Jake Setera, también de Amentum, desarrolló una novedosa técnica de ablación láser para medir con precisión los metales del grupo del platino, que se concentran en sulfuros y metales.

“Trabajar en este proyecto nos impulsó a ser creativos”, dijo Setera. “Para confirmar lo que nos mostraban las visualizaciones 3D, necesitábamos desarrollar un método de ablación láser adecuado que pudiera rastrear los elementos del grupo del platino en estas complejas muestras experimentales. Fue emocionante ver cómo ambos flujos de datos convergían en la misma historia”.

Al combinarse con el análisis geoquímico de Setera, los datos proporcionaron evidencia sólida e independiente de que el sulfuro fundido había migrado y se había fusionado en un interior planetario sólido. Esta doble confirmación marcó la primera demostración directa del proceso en un laboratorio.

El estudio ofrece una nueva perspectiva para interpretar la geoquímica planetaria. Marte, en particular, muestra indicios de formación temprana del núcleo, pero su cronología ha intrigado a los científicos durante años. Los nuevos resultados sugieren que el núcleo de Marte podría haberse formado en una etapa anterior, gracias a su composición rica en azufre, posiblemente sin requerir la fusión a gran escala que experimentó la Tierra. Esto podría ayudar a explicar antiguos enigmas sobre la cronología geoquímica y la diferenciación temprana de Marte.

Los resultados también plantean nuevas preguntas sobre cómo los científicos datan los eventos de formación del núcleo utilizando isótopos radiogénicos, como el hafnio y el tungsteno. Si el azufre y el oxígeno son más abundantes durante la formación de un planeta, ciertos elementos podrían comportarse de forma diferente a la esperada, permaneciendo en el manto en lugar del núcleo y afectando los "relojes" geoquímicos utilizados para estimar las cronologías planetarias.

Esta investigación amplía nuestra comprensión de cómo se forman los interiores planetarios bajo diferentes condiciones químicas, lo que ofrece nuevas posibilidades para interpretar la evolución de cuerpos rocosos como Marte. Al combinar la petrología experimental, el análisis geoquímico y la imagen 3D, el equipo demostró cómo los enfoques colaborativos multimétodo pueden revelar procesos que antes eran solo teóricos.

Crossley dirigió la investigación durante su periodo como becario postdoctoral McKay, un programa que reconoce a científicos destacados en sus inicios de carrera dentro de los cinco años posteriores a la obtención de su doctorado. Ofrecida conjuntamente por la División ARES de la NASA y el Instituto Lunar y Planetario de Houston, la beca apoya la investigación innovadora en la ciencia de los astromateriales, incluyendo el origen y la evolución de los cuerpos planetarios en todo el sistema solar.

Mientras la NASA se prepara para futuras misiones a la Luna, Marte y más allá, comprender cómo se forman los interiores planetarios es más importante que nunca. Estudios como este ayudan a los científicos a interpretar datos remotos de naves espaciales, analizar las muestras obtenidas y construir mejores modelos de cómo se formó nuestro sistema solar.

Para obtener más información sobre la división ARES de la NASA, visite: https://ares.jsc.nasa.gov/​

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