Theia e o planeta Terra eram vizinhos

Há cerca de 4,5 bilhões de anos teve lugar o acontecimento mais marcante da história do nosso planeta: um enorme corpo celeste chamado Theia colidiu com a jovem Terra.

© M. Garlick (colisão entre a Terra primitiva e Theia)

O modo como a colisão se desenrolou e o que aconteceu exatamente depois ainda não foi determinado de forma conclusiva. O que é certo, no entanto, é que o tamanho, a composição e a órbita da Terra mudaram como resultado, e que o impacto marcou o nascimento da nossa companheira constante no espaço, a Lua.

Que tipo de corpo foi este que alterou tão dramaticamente o curso do desenvolvimento do nosso planeta? Qual era a dimensão de Theia? De que é que era feito? E de que parte do Sistema Solar se precipitou em direção à Terra?

É difícil encontrar respostas para estas perguntas. Afinal de contas, Theia foi completamente destruído na colisão. No entanto, ainda hoje se podem encontrar vestígios dele, por exemplo, nas atuais composições da Terra e da Lua. Num estudo recente, pesquisadores do Instituto Max Planck para a Investigação do Sistema Solar e da Universidade de Chicago utilizam esta informação para deduzir a possível "lista de ingredientes" de Theia; e, consequentemente, o seu local de origem.

As proporções em que certos isótopos metálicos estão presentes num corpo são particularmente reveladoras. Os isótopos são variantes do mesmo elemento que diferem apenas no número de nêutrons no seu núcleo atômico; e, portanto, no seu peso. Mesmo na nuvem molecular a partir da qual o nosso Sol e o disco protoplanetário se formaram, os isótopos destes elementos não estavam aparentemente distribuídos de forma homogênea. Pelo contrário, até mesmo nesse momento, dependendo da distância ao centro, deve ter havido diferenças nas proporções dos isótopos. 

Assim, os corpos planetários que ainda estavam crescendo foram formados a partir de material de construção com diferentes composições isotópicas, dependendo se o material se aglomerava perto ou longe do Sol. A informação sobre a origem dos seus blocos de construção originais é assim armazenada na composição isotópica de um corpo planetário.

No estudo atual, os pesquisadores determinaram a proporção de diferentes isótopos de ferro nas rochas da Terra e da Lua com uma precisão sem precedentes. Para o efeito, examinaram 15 rochas terrestres e seis amostras lunares que os astronautas das missões Apollo trouxeram para a Terra. O resultado não é surpreendente: como as medições anteriores das taxas isotópicas do crômio, cálcio, titânio e zircônio já tinham demonstrado, a Terra e a Lua são indistinguíveis neste aspecto.

No entanto, a grande semelhança não permite quaisquer conclusões diretas sobre Theia. Há simplesmente demasiados cenários possíveis de colisão. Embora a maioria dos modelos assuma que a Lua se formou quase exclusivamente a partir de material de Theia, também é possível que seja constituída principalmente por material do manto terrestre primitivo ou que as rochas da Terra e de Theia se tenham misturado inseparavelmente. 

Para saber mais sobre Theia, os pesquisadores aplicaram uma espécie de engenharia reversa para planetas. Para tal, não utilizam modelos computacionais complexos que simulam vários cenários de impacto envolvendo Theia, mas concentram-se nas misturas de isótopos nas rochas terrestres e lunares. Com base nas taxas de isótopos correspondentes nas atuais rochas terrestres e lunares, a equipe analisou quais as composições e tamanhos de Theia e qual a composição da Terra primitiva que poderia ter levado a este estado final.

Nas suas investigações, os cientistas olharam não só para os isótopos de ferro, mas também para os de crômio, molibdênio e zircônio. Os diferentes elementos dão acesso a diferentes fases da formação planetária.

Mas como podemos saber que material já lá estava e qual foi trazido para o sistema Terra-Lua por Theia? Muito antes do encontro devastador com Theia, teve lugar, no interior da Terra primitiva, uma espécie de processo de seleção. Com a formação do núcleo de ferro, alguns elementos, como o ferro e o molibdênio, acumularam-se aí; depois disso, estavam praticamente ausentes do manto rochoso. O ferro que se encontra atualmente no manto terrestre só pode, portanto, ter "chegado" após a formação do núcleo; por exemplo, a bordo de Theia.

O metal omnipresente, a partir do qual os humanos fizeram ferramentas, navios e pontes, pode, portanto, ser atribuído principalmente a Theia. Outro elemento é o zircônio, que é muito resistente e quase não sofre alterações. Está no manto desde que a Terra existe e não se afundou no núcleo. O zircônio documenta, assim, não apenas uma janela de tempo, mas toda a história da formação do nosso planeta. 

Os pesquisadores usam estes diferentes suportes de informação para definir de que material e mistura de materiais Theia deve ter sido constituído e, finalmente, de que parte do disco de gás e poeira primitivo este material teve origem antes de formar Theia. De acordo com os resultados da investigação, as taxas isotópicas do material de Theia diferem significativamente dos da Terra. Por conseguinte, não são daqui e podem ainda atualmente ser identificados como tal na mistura de material da Terra. No entanto, os cálculos matemáticos revelam vários cenários e composições da Terra e de Theia antes da sua colisão.

Alguns destes cenários são implausíveis, pois são incompatíveis com o conhecimento sobre a formação planetária inicial que também foi obtido através da análise de meteoritos. Os meteoritos que podem ser analisados após o impacto com a Terra são tão antigos como o Sistema Solar. Permitem conhecer a época em que os planetas e outros corpos se formaram. Alguns meteoritos são originários da região interior do disco de formação dos planetas, enquanto outros são originários da região exterior. As taxas de isótopos do manto terrestre são os que mais se assemelham aos dos meteoritos do Sistema Solar interior. Os isótopos que a equipe atribui a Theia, neste estudo, têm proporções que eram anteriormente desconhecidas e não correspondem aos blocos de construção da Terra. Ao compará-los com classes de meteoritos, conclui-se que Theia deve ter tido origem na parte interior do Sistema Solar primitivo, mais perto do Sol do que a órbita atual da Terra.

Um artigo foi publicado na revista Science.

Fonte: Max Planck Institute for Solar System Research

Primeira detecção de "água pesada" num disco de formação planetária

A descoberta de água antiga num disco de formação planetária revela que alguma da água encontrada nos cometas, e talvez até na Terra, é mais antiga do que o disco da própria estrela, oferecendo uma visão inovadora da história da água no nosso Sistema Solar.

© NRAO (evolução de água pesada em nuvens moleculares gigantes)

Astrônomos, recorrendo ao ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), fizeram a primeira detecção de água duplamente deuterada (D₂O, ou "água pesada") num disco de formação planetária em torno de V883 Ori, uma estrela jovem. Isto significa que a água neste disco, e por extensão a água nos cometas que aqui se formam, é anterior ao nascimento da própria estrela, tendo viajado através do espaço a partir de antigas nuvens moleculares muito antes da formação deste sistema.

Isto representa um grande avanço na compreensão da viagem da água através da formação planetária, e como esta água chegou ao nosso Sistema Solar, e possivelmente à Terra, através de processos semelhantes. 

A impressão digital química do D₂O mostra que estas moléculas de água sobreviveram aos violentos processos de formação estelar e planetária, viajando bilhões de quilômetros através do espaço e do tempo antes de acabarem em sistemas planetários como o nosso. Em vez de ser destruída e reformada no disco, a maior parte desta água é herdada das primeiras e mais frias fases da formação estelar, uma herança cósmica que também pode estar presente na Terra atual.

Até agora, não era conhecido que a maior parte da água dos cometas e planetas se formou em discos jovens como o de V883 Ori, ou se é "pristina", proveniente de antigas nuvens interestelares. A detecção de água pesada, usando taxas sensíveis de isotopólogos (D₂O/H₂O), prova a herança antiga da água e fornece um elo perdido entre nuvens, discos, cometas e, em última análise, planetas.

Esta descoberta é a primeira evidência direta da viagem interestelar da água desde as nuvens até aos materiais que formam os sistemas planetários, inalterada e intacta. A água é fundamental para a vida e para a habitabilidade. Saber de onde vem a água dos planetas ajuda-nos a compreender os ingredientes para a vida no nosso Sistema Solar e em outros.

A descoberta sugere que muitos planetas jovens, e talvez mesmo exoplanetas, poderão herdar água bilhões de anos mais velha do que eles próprios, lembrando-nos como a nossa existência está profundamente interligada com o passado antigo do Universo.

Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

A influência dos planetas pode atenuar a atividade solar

O nosso Sol é cerca de cinco vezes menos magneticamente ativo do que outras estrelas semelhantes.

© Solar Dynamics Observatory (ejeção de massa coronal do Sol)

A razão para isso pode residir nos planetas do nosso Sistema Solar, afirmam pesquisadores do HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf). Nos últimos dez anos, desenvolveram um modelo que deriva praticamente todos os ciclos de atividade conhecidos do Sol a partir da influência cíclica das forças de maré dos planetas. Agora, também conseguiram demonstrar que essa sincronização externa reduz automaticamente a atividade solar.

De momento, o Sol está atingindo um nível máximo de atividade que só é observado a cada onze anos, aproximadamente. É por isso que nós, na Terra, observamos mais auroras polares e tempestades solares, bem como um clima espacial turbulento em geral. Isto tem impacto nos satélites espaciais e até mesmo na infraestrutura tecnológica da Terra. Apesar disso, em comparação com outras estrelas semelhantes ao Sol, as erupções de radiação mais fortes do nosso Sol são 10 a 100 vezes mais fracas.

Este ambiente relativamente tranquilo pode ser uma condição prévia importante para a Terra ser habitável. Não menos importante por esta razão, os físicos solares querem compreender o que impulsiona precisamente a atividade solar. Sabe-se que a atividade solar tem muitos padrões, flutuações periódicas mais curtas e mais longas, que variam de algumas centenas de dias a vários milhares de anos. Mas há maneiras muito diferentes de explicar os mecanismos físicos subjacentes.

O modelo desenvolvido pela equipa liderada por Frank Stefani, do Instituto de Dinâmica de Fluidos do HZDR, vê os planetas como marca-passos: segundo essa compreensão, aproximadamente a cada onze anos, Vênus, Terra e Júpiter concentram as suas forças de maré combinadas no Sol. Através de um mecanismo físico complexo, de cada vez que o fazem, dão um pequeno empurrão ao impulso magnético interno do Sol. Em combinação com o movimento orbital em forma de roseta do Sol, isto leva a flutuações periódicas sobrepostas de durações variáveis, exatamente como observado no Sol.

No trabalho recente, os pesquisadores dão o nome OQB (Oscilação Quasi-Bienal), uma flutuação aproximadamente bianual em vários aspetos da atividade solar. O ponto especial aqui é que, a OQB não só pode ser atribuída a um período preciso, mas também leva automaticamente a uma atividade solar atenuada. Até agora, os dados solares geralmente relatavam períodos de OQB de 1,5 a 1,8 anos.

Em trabalhos anteriores, alguns pesquisadores sugeriram uma ligação entre a OQB e os chamados eventos GLE (Ground Level Enhancement). São ocorrências esporádicas durante as quais partículas solares ricas em energia provocam um aumento repentino da radiação cósmica na superfície da Terra. Um estudo realizado em 2018 mostra que os eventos de radiação medidos perto do solo ocorreram mais na fase positiva de uma oscilação com um período de 1,73 anos. Ao contrário da suposição habitual de que essas erupções de partículas solares são fenômenos aleatórios, esta observação indica um processo cíclico fundamental. Foi descoberto a maior correlação para um período de 1,724 anos. 

Apesar do campo magnético do Sol oscilar entre o mínimo e o máximo ao longo de um período de onze anos, a OQB impõe um padrão adicional de curto prazo na intensidade do campo. Isto reduz a intensidade geral do campo, pois o campo magnético do Sol não mantém o seu valor máximo por tanto tempo. Um diagrama de frequência revela dois picos: um na intensidade máxima do campo e outro quando a OQB oscila de volta. Este efeito é conhecido como bimodalidade do campo magnético solar. No modelo, os dois picos fazem com que a intensidade média do campo magnético solar seja reduzida, uma consequência lógica da OQB.

Este efeito é muito importante porque o Sol é mais ativo durante as intensidades de campo mais altas. É quando ocorrem os eventos mais intensos, com enormes tempestades geomagnéticas, como o evento Carrington de 1859, quando auroras polares puderam ser vistas até em Roma e Havana, e altas tensões danificaram linhas telegráficas. Se o campo magnético do Sol permanecer em intensidades de campo mais baixas por um período significativamente mais longo, no entanto, isso reduz a probabilidade de eventos muito violentos.

Um artigo foi publicado no periódico Solar Physics.

Fonte: HZDR

Planetas gigantes que flutuam livremente formando sistemas planetários

Descoberto que os planetas gigantes que flutuam livremente têm o potencial de formar os seus próprios sistemas planetários em miniatura sem a necessidade de uma estrela.

© Microsoft Designer (planeta flutuando livremente pelo espaço)

Recorrendo a observações do telescópio espacial James Webb, os cientistas pesquisaram jovens objetos isolados com massas de 5 a 10 vezes a massa de Júpiter. Estes objetos são comparáveis a planetas gigantes relativo às suas propriedades, mas não orbitam uma estrela; em vez disso, flutuam livremente no espaço.

Estes objetos errantes de massa planetária são difíceis de observar, pois são muito tênues e irradiam sobretudo no infravermelho. E, no entanto, possuem a chave para questões importantes da astrofísica. A pesquisa atual sugere que estes são os objetos de menor massa formados como estrelas a partir do colapso de nuvens de gás gigantes. Ao contrário das estrelas, não acumulam massa suficiente para iniciar quaisquer reações de fusão nos seus núcleos. Em teoria, é também possível que alguns se formem de maneira comparável a planetas, em órbita de uma estrela, e mais tarde sejam expulsos dos seus berçários planetários.

Pesquisadores observaram 8 destes objetos, todos muito jovens, para saber mais sobre a sua infância. Utilizaram dois instrumentos a bordo do telescópio espacial James Webb, equipado com instrumentos infravermelhos extremamente sensíveis. Foram analisadas observações espectroscópicas detalhadas destes objetos, com uma cobertura espectral e sensibilidade sem precedentes, de agosto a outubro de 2024.

Este novo trabalho caracteriza estes objetos em profundidade e confirma que têm massas próximas da de Júpiter. Seis deles têm excesso de emissão infravermelha causada por poeira quente na sua vizinhança imediata. Este é o sinal característico de discos, estruturas achatadas que são os locais de nascimento dos planetas. As observações mostram também a emissão de grãos de silicato nos discos, com sinais claros de crescimento de poeira e cristalização, os primeiros passos típicos na formação de planetas rochosos. A emissão de silicatos já foi detectada anteriormente em estrelas e anãs marrons, mas esta é a primeira detecção em objetos de massa planetária.

Este trabalho baseia-se num artigo publicado anteriormente pela Universidade de St. Andrews que mostra que os discos em torno de objetos de massa planetária que flutuam livremente podem durar vários milhões de anos, tempo suficiente para formar planetas. 

Em conjunto, estes estudos mostram que objetos com massas comparáveis às dos planetas gigantes têm o potencial de formar os seus próprios sistemas planetários em miniatura. Esses sistemas poderiam ser como o Sistema Solar, apenas reduzidos por um fator de 100 ou mais em massa e tamanho. 

Estas descobertas mostram que os blocos de construção para a formação de planetas podem ser encontrados mesmo em torno de objetos que são pouco maiores do que Júpiter e que andam sozinhos à deriva no espaço. Isto significa que a formação de sistemas planetários não é exclusiva de estrelas, mas pode também funcionar em torno de mundos solitários sem estrelas.

Fonte: University of St Andrews

A natureza dos discos de formação planetária

Astrônomos revelaram descobertas inovadoras sobre os discos de gás e poeira que rodeiam estrelas jovens próximas, utilizando o poderoso ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array).

© NRAO (ilustração de um disco protoplanetário)

Estes resultados fazem parte de um grande programa do ALMA chamado AGE-PRO (ALMA Survey of Gas Evolution of PROtoplanetary Disks). O AGE-PRO observou 30 discos protoplanetários em torno de estrelas semelhantes ao Sol para medir a massa do disco de gás em diferentes idades. O estudo revelou que os componentes do gás e da poeira nestes discos evoluem a ritmos diferentes.

Um disco protoplanetário rodeia a sua estrela hospedeira durante vários milhões de anos, à medida que o seu gás e poeira evoluem e se dissipam, estabelecendo a escala de tempo para a formação de planetas gigantes. A massa e o tamanho iniciais do disco, bem como o seu momento angular, têm uma profunda influência no tipo de planeta que se poderá formar (gigantes gasosos, gigantes gelados ou mini-Netunos) e nas trajetórias de migração dos planetas.

O tempo de vida do gás no interior do disco determina a escala de tempo para o crescimento das partículas de poeira até um objeto do tamanho de um asteroide, a formação de um planeta e, finalmente, a migração do planeta a partir do local onde nasceu.

O levantamento observou 30 discos com diferentes idades, desde menos de 1 milhão de anos até mais de 5 milhões de anos, em três regiões de formação estelar: Ofiúco, Lobo, e Escorpião Superior. Os dados coletados servirão como uma biblioteca abrangente de observações de linhas espectrais para uma grande amostra de discos em diferentes fases da sua evolução.

O monóxido de carbono (CO) é o indicador químico mais utilizado nos discos protoplanetários, mas para medir completamente a massa de gás num disco, são necessários indicadores moleculares adicionais. O AGE-PRO utilizou o N2H+ como indicador adicional de gás para melhorar significativamente a precisão das medições. As detecções do ALMA foram também configuradas para receber linhas espectrais inesperadas, incluindo H2CO, DCN, DCO+, N2D+, CH3CN.

Os resultados indicam que, à medida que os discos envelhecem, o gás e a poeira são consumidos a ritmos diferentes e sofrem uma "oscilação" na relação de massa gás-poeira à medida que os discos evoluem. A descoberta mais surpreendente é que, embora a maioria dos discos se dissipe após alguns milhões de anos, os que sobrevivem têm mais gás do que o esperado. Isto altera fundamentalmente a estimativa da acreção atmosférica de planetas formados mais tarde.

Estes resultados serão publicados em 12 artigos científicos numa futura edição especial da revista The Astrophysical Journal.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

Estudo explica formação de planetas com órbitas largas

Nos arredores frios e escuros dos sistemas planetários, muito além do alcance dos planetas conhecidos, misteriosos gigantes gasosos orbitam silenciosamente as suas estrelas, às vezes a milhares de unidades astronômicas (UA) de distância.

© ESO (ilustração do Planeta Nove e o Sistema Solar ao fundo)

Durante anos, os cientistas perguntaram-se como esses planetas de "órbita larga", incluindo o elusivo Planeta Nove teorizado no nosso próprio Sistema Solar, poderiam ter sido formados.

Agora, uma equipe de astrônomos pode finalmente ter encontrado a resposta. Num novo estudo, pesquisadores da Universidade Rice e do PSI (Planetary Science Institute), utilizaram simulações complexas para mostrar que os planetas de órbita larga não são anomalias, mas sim subprodutos naturais de uma fase caótica inicial no desenvolvimento dos sistemas planetários. Esta fase ocorre enquanto as estrelas ainda estão aglomeradas nos seus aglomerados natais e os planetas disputam espaço em sistemas turbulentos.

Para o estudo, foram realizadas milhares de simulações envolvendo diferentes sistemas planetários incorporados em ambientes realistas de aglomerados estelares. Foi modelado uma variedade de condições, desde sistemas como o nosso Sistema Solar, com uma mistura de gigantes gasosos e gelados, até sistemas mais exóticos, incluindo aqueles com dois sóis. Foi descoberto um padrão recorrente: os planetas eram frequentemente empurrados para órbitas largas e excêntricas por instabilidades internas, depois estabilizados pela influência gravitacional de estrelas próximas no aglomerado.

Os pesquisadores definem planetas de órbita larga como aqueles que têm semieixos maiores entre 100 e 10.000 UA, distâncias que os colocam muito além do alcance da maioria dos tradicionais discos de formação planetária. 

As descobertas podem ajudar a explicar o mistério de longa data do Planeta Nove, um planeta hipotético que se pensa orbitar o nosso Sol a uma distância de 250 a 1.000 UA. Embora nunca tenha sido observado diretamente, as órbitas estranhas de vários objetos trans-Netunianos sugerem a sua presença.

As simulações mostram que, se o Sistema Solar primitivo passou por duas fases específicas de instabilidade, o crescimento de Urano e Netuno e a posterior dispersão entre os gigantes gasosos, há uma probabilidade de até 40% de que um objeto semelhante ao Planeta Nove possa ter ficado preso durante esse período. Curiosamente, o estudo também relaciona planetas de órbita larga com a crescente população de planetas flutuantes, ou errantes, mundos expulsos completamente dos seus sistemas.

Os pesquisadores descobriram que os sistemas semelhantes ao Sistema Solar são particularmente eficientes, com probabilidades de retenção de 5 a 10%. Outros sistemas, como aqueles compostos apenas por gigantes gelados ou planetas circumbinários, apresentaram eficiências muito mais baixas. Além disso, o estudo identifica novos alvos promissores para os caçadores de exoplanetas. Sugere que os planetas de órbita larga são mais prováveis de serem encontrados em torno de estrelas com alta metalicidade que já abrigam gigantes gasosos, tornando esses sistemas candidatos ideais para campanhas de imagem profunda. 

Se o Planeta Nove existir, poderá ser descoberto logo após o Observatório Vera C. Rubin entrar em pleno funcionamento. Com a sua capacidade incomparável de observar o céu em profundidade e detalhe, espera-se que o observatório avance significativamente a busca por objetos distantes do Sistema Solar, aumentando a probabilidade de detectar o Planeta Nove ou de fornecer as evidências necessárias para descartar sua existência.

Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Fonte: Planetary Science Institute