Theia e os condritos carbonáceos: simulações explicam como a Terra se tornou habitável

Como a Terra - única entre os planetas rochosos do Sistema Solar - virou um lar para a vida? Como, em meio a tanta frieza e esterilidade, o nosso planeta acabou se tornando quente, acolhedor e capaz de sustentar organismos?

Responder a isso exige uma explicação complexa, com várias peças. Uma parte importante vem da cosmoquímica, área interdisciplinar que investiga como os elementos químicos se distribuem durante a nascimento e a evolução de sistemas planetários.

Há cerca de 4,5 bilhões de anos, o Sistema Solar era um cenário ainda mais agitado do que hoje. Planetas estavam em formação, enquanto planetesimais e embriões planetários cruzavam o espaço, colidindo e se fragmentando. Em algum ponto desse caos, a Terra acabou recebendo uma parcela incomum de condritos carbonáceos - e, com eles, aminoácidos e outras moléculas que favorecem a química necessária à vida.

Estudos em cosmoquímica indicam que entre 5% e 10% da massa da Terra veio de condritos carbonáceos que atingiram o planeta jovem. Outras análises sugerem ainda que uma fatia grande desse material pode ter chegado por meio do impactador Theia, o corpo que teria provocado o evento que formou a Lua.

Para colocar essas hipóteses à prova com mais rigor, três pesquisadores recorreram a simulações dinâmicas da formação do Sistema Solar, buscando reproduzir esse abastecimento de material carbonáceo.

O estudo se chama “Origem dinâmica de Theia, o último grande impactador na Terra”. O autor principal é Duarte Branco, do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, no Observatório Astronômico de Lisboa, em Portugal. O trabalho será publicado na revista Icarus.

Cosmoquímica, condritos carbonáceos e meteoritos não carbonáceos

Uma distinção central para a cosmoquímica separa condritos carbonáceos (CCs) de meteoritos não carbonáceos (NCs). Essa divisão organiza a população de meteoritos do Sistema Solar em dois grupos e aponta para a existência de dois reservatórios distintos de material.

Os CCs teriam se formado mais longe do Sol, provavelmente além de Júpiter, e carregam uma proporção maior de voláteis, como água e compostos orgânicos. Já os NCs incluem materiais como meteoritos de ferro e, em geral, apresentam menos voláteis.

Como as simulações do Sistema Solar foram montadas

Para verificar a proposta de que Theia teria levado CCs e voláteis para a Terra, os autores executaram simulações detalhadas do Sistema Solar. Foram simulações de N corpos, focadas nas etapas finais de crescimento dos planetas terrestres.

Os experimentos começam depois que o disco gasoso do Sistema Solar se dispersou, já nos estágios tardios do crescimento planetário. A massa sólida disponível foi distribuída entre planetesimais e embriões planetários.

As simulações incluíram CCs que foram espalhados para dentro do Sistema Solar enquanto Júpiter e Saturno ainda cresciam e acumulavam matéria. Por causa da diferença de tamanho entre planetesimais e embriões planetários, os embriões têm maior chance de interagir com os planetas rochosos e, assim, entregar material de CC.

Os pesquisadores conduziram três tipos de simulação:

• apenas pequenos (small only): inclui somente objetos pequenos de CC, isto é, planetesimais;
• apenas grandes (large only): inclui somente objetos grandes de CC, isto é, embriões planetários;
• cenário misto (mixed scenario): inclui tanto planetesimais quanto embriões de CC.

Em um subconjunto de 10 simulações de cada cenário, eles também incorporaram o efeito da instabilidade dinâmica dos planetas gigantes. Em astronomia, isso é conhecido como modelo de Nice, que descreve a forma como os planetas gigantes mudaram de órbitas em relação às posições onde teriam se formado inicialmente.

O objetivo era mapear como CCs e NCs se distribuíram no Sistema Solar e entender por que a Terra terminou com mais CCs do que os outros planetas rochosos, em especial Marte. Além disso, o grupo queria avaliar se o impacto de Theia poderia explicar a chegada de uma parcela grande do material carbonáceo presente na Terra.

O papel de Júpiter e da instabilidade dos gigantes na entrega de CCs

Um resultado se destacou de maneira clara: a instabilidade dos planetas gigantes - sobretudo a mudança orbital de Júpiter - teve um efeito marcante na capacidade da Terra de acrescer material de CC.

Quando os autores adicionaram a instabilidade dinâmica dos gigantes, o comportamento do sistema ficou ainda mais expressivo. “A instabilidade dos planetas gigantes mudou dramaticamente a evolução do sistema, causando um forte pulso de excitação de excentricidade, que levou a uma onda de colisões e ejeções”, escrevem os autores. Ainda assim, o estado final do sistema não se alterou muito.

Theia, o último grande impacto e a fração de condritos carbonáceos na Terra

Uma peça decisiva das simulações é o próprio impactador Theia. Trabalhos anteriores apontam que Theia pode ter sido um objeto carbonáceo. Se isso for verdade, uma parte considerável da habitabilidade que sustenta a vida na Terra pode ter sido consequência direta dessa colisão.

“In the mixed scenario with no giant planet instability, Earth's final impactor included a CC component in more than half of all simulations. In 38.5% of simulations, the final impactor was a pure CC embryo, and in another 13.5%, the impactor was an NC embryo that had previously accreted a CC embryo,” escrevem os pesquisadores.

No conjunto, as simulações descrevem um Sistema Solar primitivo com dois anéis distintos de planetesimais: um anel interno, composto por planetesimais rochosos, e um anel externo, formado por condritos carbonáceos.

Mais tarde, conforme os gigantes gelados migraram para dentro, eles empurraram material de CC para o Sistema Solar interno. Parte desses objetos ficou retida no cinturão de asteroides, enquanto os mais massivos foram espalhados de modo preferencial para órbitas associadas aos planetas rochosos.

“A acreção em estágio tardio dos planetas terrestres envolveu uma série de grandes impactos entre embriões e planetesimais de NC, com impactos ocasionais de objetos de CC”, explicam os autores.

Esse quadro ajuda a esclarecer diferentes características do Sistema Solar: ele reproduz massas e órbitas dos planetas terrestres e também a distribuição orbital de asteroides. Além disso, ele coincide com a fração de massa de CC na Terra e em Marte - e com o fato de Marte não exibir as mesmas concentrações de material de CC observadas na Terra.

Se o cenário apenas pequenos estivesse correto - com CC presente somente como planetesimais -, a fração de massa de CC em Marte e na Terra seria aproximadamente a mesma.

Os autores pretendiam mostrar que, em linha com outras pesquisas, Theia pode ter sido o último grande impactador da Terra e que continha material de CC em abundância. Pelos resultados, a equipe parece ter atingido esse objetivo.

Nas simulações, o último impacto gigante da Terra foi com Theia, e esse corpo apresentava concentrações mais altas de material de CC, o que teria contribuído para tornar a Terra habitável. Esse desfecho é compatível com a interpretação científica predominante.

O estudo indica que o último impacto ocorreu entre 5 e 150 milhões de anos após a dispersão do gás. Uma fração grande desses eventos se concentrou entre 20 e 70 milhões de anos. Há incertezas sobre o momento exato do impacto de Theia, e os resultados se encaixam dentro dessas margens.

As simulações também reforçam outras conclusões: embriões e planetesimais de CC podem ter sido incorporados ao longo de todo o crescimento da Terra, mas aparecem com maior peso nas fases finais desse processo.

“Within the context of this scenario, the last giant impactor on Earth contained a CC component in roughly half of all of the mixed simulations,” escrevem os autores.

“In the majority of these (38% of simulations), Theia was a pristine CC embryo, and in the remainder of cases Theia was an NC embryo that had previously accreted a CC embryo.”

O trabalho também destaca a influência de Júpiter na arquitetura do Sistema Solar. O planeta não só limita o cinturão de asteroides, como também ajudou a definir a composição final dos planetas terrestres ao espalhar material de CC do Sistema Solar externo para a região cruzada pelos planetas rochosos - especialmente a Terra.

Para que a Terra se tornasse o mundo capaz de sustentar vida que é hoje, uma quantidade enorme de fatores precisou se alinhar. Ainda não se sabe quão provável é existirem outros mundos semelhantes. Pode ser que, para um exoplaneta sustentar vida, não baste estar dentro de uma zona habitável.

Talvez exista um número desconcertante de variáveis que precisam “dar certo”, incluindo a presença de planetas gigantes externos que migram e entregam carbono a mundos rochosos em zonas habitáveis.

Este artigo foi publicado originalmente pelo Universe Today. Leia o artigo original.