Greg Brennecka señala una inclusión rica en calcio-aluminio (CAI) en un meteorito. La edad absoluta de la CAl, determinada a través de la datación Plomo-Plomo (Pb-Pb), se considera generalmente hasta la fecha el origen del Sistema Solar. Crédito: Celeste Riley.La datación Plomo plomo (Pb-Pb) es una de las técnicas de datación radiométrica más utilizadas para determinar la edad de las cosas realmente antiguas, tales como la edad de la Tierra o del Sistema Solar. Sin embargo, los recientes avances en la instrumentación permiten ahora a los científicos realizar mediciones más precisas que prometen revolucionar la forma en que la edad de algunas muestras se calcula con esta técnica.
La datación radiométrica puede ser usada para determinar la edad de una amplia gama de materiales naturales o hechos por humanos. La comparación entre la abundancia observada de un isótopo radiactivo de origen natural, tal como el uranio (U), y sus productos de desintegración se puede utilizar para determinar la edad de un material, utilizando los tipos de desintegración conocida. La técnica de datación Pb-Pb se ha utilizado durante décadas bajo la suposición de que la relación entre los isótopos 238U y 235U, que se desintegran en los diferentes isótopos de Pb, es constante en el Sistema Solar. Este valor asumido se construye en la ecuación de la edad Pb-Pb.
Según un estudio publicado en línea en la edición del 31 de diciembre de Science Express y en el día 22 de enero de la revista Science por Greg Brennecka, un estudiante graduado en la Escuela de Exploración Terrestre y Espacial (SESE) en la Arizona State University (ASU), la relación 238U/235U ya no puede ser considerada como una constante en el material de los meteoritos. Cualquier desviación de este valor supuesto causa un error de cálculo en la determinación de la edad Pb-Pb de una muestra, lo que significa que la edad del Sistema Solar podría estar mal calculada por varios millones de años. Aunque se trata de una pequeña fracción de la edad de los 4.570 millones años del Sistema Solar, es un valor significativo desde que algunos de los eventos más importantes que conformaron el Sistema Solar se produjeron en los primeros 10 millones de años de su formación.
Brennecka y sus colegas en ASU y en la Universidad de Frankfurt, Alemania, midieron la proporción 238U/235U en los primeros sólidos del Sistema Solar, inclusiones ricas en calcio aluminio (CAls). Las CAls fueron los primeros sólidos en condensarse en el enfriamiento del disco protoplanetario durante el nacimiento del Sistema Solar. La edad absoluta de las CAls, determinada a través de la datación Pb-Pb, se considera generalmente la fecha del origen del Sistema Solar. Los datos de alta precisión que obtuvieron de las CAls del meteorito Allende demostraron que la relación 238U/235U no es la misma en todos las CAls.
"Esta variación implica incertidumbres sustanciales en los tiempos previamente determinados por la datación Pb-Pb de las CAls", explica Brennecka. "Esto probablemente hará que en las mediciones de isótopos de U como parte del procedimiento de datación Pb-Pb, la relación 238U/235U ya no puede asumirse que sea invariante."
Brennecka comenzó a pensar en la idea de que la proporción de isótopos de U podría no ser constante en el material del meteorito después de conocer el trabajo realizado por el profesor Stefan Weyer, de la Universidad Goethe de Frankfurt, durante una visita sabática a ASU el año anterior. Weyer pasó un semestre en ASU desarrollando una técnica para medir la variación natural de los isótopos de U en los materiales de la Tierra y de los planetas, trabajando en los laboratorios (equipados con el estado del arte en la materia) de Ariel Anbar, profesor en SESE y en el Departamento de Ciencias Químicas y Bioquímicas del Colegio de Ciencia y Artes Liberales de ASU y en el Laboratorio de Biogeoquímica Ambiental de la Fundación WM Keck. Ese trabajo reveló diferencias mensurables en 238U/235U en diferentes ambientes de la Tierra, cuando todos pensaron que la relación era invariable en cualquier lugar de la misma y de nuestro Sistema Solar.
En ese momento, Brennecka estaba tomando una clase sobre meteoritos y el origen del Sistema Solar de Meenakshi Wadhwa, profesor en la Escuela de la Exploración del Espacio y la Tierra y director del Centro para Estudios de Meteoritos de ASU. Para una asignación de clase, Brennecka desarrollado una propuesta de investigación centrada en las implicaciones de la variación de isótopos de U en los materiales primigenios del Sistema Solar. Anbar y Wadhwa lo animaron a tomar la propuesta de la clase y llevarla al laboratorio.
"Este proyecto es un excelente ejemplo de lo que es posible como resultado de la cultura habitual de colaboración y el enriquecimiento mutuo que existe en SESE, y en ASU en general", dice Anbar. "También es un resultado directo de las inversiones de ASU en instalaciones de laboratorio para la clase de ciencias terrestres y planetarias. Estas instalaciones fueron críticas para las mediciones de Greg, y también desató la colaboración con el grupo de Stefan Weyer, que comenzó con nosotros este camino de investigación".
Brennecka trabajó con Anbar y Wadhwa para perfeccionar los procedimientos de la ASU para ser capaces de medir 238U/235U en las extremadamente pequeñas CAls, utilizando los instrumentos y el laboratorio de Wadhwa en el Centro ASU para Estudios de Meteoritos. Once de las trece CAls eran de la colección del Centro ASU para Estudio de Meteoritos; los otros dos eran de la colección del Museo Senckenberg de Francfort. El proyecto fue apoyado por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), incluidos el Progama Orígenes del Sistema Solar de la NASA y el Instituto de Astrobiología de la NASA (NAI). ASU es el hogar de uno de los 14 equipos de investigación de todo el país que conforman el NAI, que explora el origen, evolución, distribución y futuro de la vida en la Tierra y en el universo.
"Empezamos con los CAls, porque la edad Pb-Pb de estos materiales es considerada el comienzo del Sistema Solar, de modo que es una de las fechas más importantes para la comunidad cosmoquímica, y debe ser lo más precisa posible", explica Brennecka. "Debido a que esta era una zona muy nueva de la investigación y para asegurar resultados precisos, hablamos con Stefan, que estaba entonces de regreso en Frankfurt, para establecer un esfuerzo de colaboración en la comparación de los resultados de laboratorio. Compartimos las muestras y las normas y de forma independiente realizamos pruebas para ver si tenemos la misma respuesta."
Las proporciones de isótopos de U, salvo en dos CAls, diferían significativamente del valor estándar "supuesto". Uno de los posibles mecanismos que podrían haber producido estas variaciones en el isótopo de U en los meteoritos es el decaimiento (o desintegración) de los existentes 247Cm (Curio) a 235U. 247Cm se crea durante sólo ciertos tipos de supernovas y tiene una muy corta vida media (15,6 millones de años) en comparación con la edad del Sistema Solar, así que todos los 247Cm que estaban presente originalmente se han desintegrado por completo desde entonces. Brennecka y sus colegas realizaron pruebas adicionales para determinar si esta fue la causa de la variación de los isótopos de U.
Si existe una correlación entre los valores de 238U/235U y la Cm/U original en las CAls, proporcionaría pruebas de que 247Cm fue la razón de las variaciones 238U/235U. Desde 235U es la decadencia de 247Cm, una mayor relación Cm/U significa que hay relativamente más 235U producido a partir de la decadencia de 247Cm. Como Cm no es un isótopo estable de larga vida, la relación Cm/U inicial de una muestra no puede determinarse directamente, entonces fueron utilizados referentes geoquímicos. La correlación de estas referencias, o elementos que se comportan como Cm, con coeficientes de isótopos de U en los CAls proporcionaron una fuerte evidencia de la presencia de 247Cm existente en el Sistema Solar. Las relaciones 238U/235U de Brennecka obtenidas del meteorito Allende fueron utilizadas para cuantificar la cantidad de 247Cm presente en el Sistema Solar.
"Los cosmoquímicos han buscado evidencias de 247Cm vivo en el Sistema Solar desde hace décadas, y esta es la primera vez que su presencia se ha demostrado definitivamente. Este trabajo no sólo determina datos precisos y exactos de los primeros eventos ocurridos en nuestro Sistema Solar, sino que también tiene implicaciones más amplias para el ambiente y las condiciones en que nació nuestro Sistema Solar", explica Wadhwa.
"Es posible que en el futuro podamos utilizar el sistema247Cm-235U como un cronómetro de vida breve", dice Brennecka. "Pero lo más importante en el corto plazo, es ayudar a mejorar la exactitud de la datación Pb-Pb".
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