Como a Terra recebeu condritos carbonáceos: simulações sobre Theia, a Lua e o modelo de Nice

A Terra, entre todos os planetas rochosos do Sistema Solar, acabou por se tornar um mundo com vida. Como é que, no meio de tanta frieza e ausência de actividade biológica, o nosso planeta ficou quente, acolhedor e capaz de sustentar vida?

A resposta não é simples nem tem uma única causa. Uma parte importante está na cosmquímica, uma área interdisciplinar que investiga como os elementos químicos e os compostos se distribuem nos diferentes reservatórios do Sistema Solar.

Há cerca de 4,5 mil milhões de anos, o Sistema Solar era ainda mais turbulento do que hoje: os planetas estavam a crescer, e planetesimais e embriões planetários cruzavam órbitas, colidiam e eram ejectados. E, apesar desse caos, a Terra terá recebido uma “dose” invulgarmente elevada de condritos carbonáceos - juntamente com aminoácidos e outros compostos que facilitam a habitabilidade.

Cosmquímica e a diferença entre condritos carbonáceos e meteoritos não carbonáceos

Os estudos de cosmquímica indicam que entre 5% e 10% da massa da Terra terá sido acrescentada por condritos carbonáceos (CCs) que atingiram o planeta jovem. Há também trabalhos que apontam que uma parcela significativa desse contributo terá chegado através do impactor Theia, o corpo associado à formação da Lua.

Um dos pontos-chave nesta área é a distinção entre CCs e meteoritos não carbonáceos (NCs). Esta separação divide, de forma geral, a população meteórica em dois grupos e sugere a existência de dois reservatórios de material no Sistema Solar.

De forma simplificada, os CCs formaram-se mais longe do Sol, provavelmente para lá de Júpiter, e tendem a transportar mais voláteis, como água e compostos orgânicos. Já os NCs incluem, por exemplo, meteoritos de ferro e apresentam, em média, menos voláteis.

Simulações N-corpos para reproduzir a entrega de CCs à Terra

Para avaliar estas ideias com maior rigor, três investigadores recorreram a simulações dinâmicas da formação do Sistema Solar, procurando ver se era possível reproduzir uma Terra enriquecida em CCs - e perceber se o impacto de Theia poderia explicar uma parte relevante desse enriquecimento.

O estudo chama-se "Dynamical origin of Theia, the last giant impactor on Earth." O autor principal é Duarte Branco, do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, no Observatório Astronómico de Lisboa, em Portugal. O trabalho será publicado na revista Icarus.

As simulações foram do tipo N-corpos e focaram-se nas fases finais do crescimento dos planetas terrestres. Começaram depois de o disco gasoso do Sistema Solar se ter dissipado, quando a massa sólida disponível foi repartida entre planetesimais e embriões planetários.

Neste enquadramento, os CCs foram incluídos como material inicialmente disperso para o interior à medida que Júpiter e Saturno ainda cresciam e acumulavam matéria. E, como os embriões são mais massivos do que os planetesimais, também têm maior probabilidade de interagir com os planetas rochosos e, assim, entregar material carbonáceo.

Os autores testaram três configurações:

• small only: apenas objectos CC pequenos (planetesimais);
• large only: apenas objectos CC grandes (embriões planetários);
• mixed scenario: uma combinação de planetesimais CC e embriões CC.

Além disso, num subconjunto de 10 simulações de cada cenário, os investigadores introduziram o efeito da instabilidade dinâmica dos planetas gigantes. Em astronomia, esta fase é conhecida como o "modelo de Nice" e descreve como os planetas gigantes alteraram as suas órbitas em relação às posições em que se formaram inicialmente.

O objectivo era duplo: mapear como CCs e NCs acabam distribuídos e compreender porque é que a Terra terminou com mais CCs do que os outros planetas rochosos, em especial Marte. Em paralelo, pretendia-se testar se o impacto de Theia poderia ter fornecido uma fracção elevada do material CC terrestre.

Theia, o impacto final e o modelo de Nice

Um resultado que sobressai é o peso da instabilidade dos planetas gigantes - particularmente a mudança orbital de Júpiter - na quantidade de material CC que a Terra consegue incorporar.

Quando o efeito da instabilidade foi incluído, o comportamento do sistema tornou-se ainda mais marcado. "The giant planet instability dramatically changed the evolution of the system causing a strong pulse of eccentricity excitement, which lead to a wave of collisions and ejections," escrevem os autores. Ainda assim, o estado final do sistema manteve-se, no essencial, semelhante.

Uma parte decisiva destas simulações é o corpo Theia. Há investigações anteriores que sugerem que Theia poderá ter sido um objecto carbonáceo. Se for esse o caso, uma parte considerável das condições que tornam a Terra habitável poderá ter sido consequência directa dessa colisão.

No cenário misto, sem instabilidade dos planetas gigantes, os autores encontraram frequentemente um impacto final com componente CC: "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," indicam.

Dois anéis de planetesimais e a migração que empurrou CCs para o interior

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

Mais tarde, quando os gigantes gelados migraram para o interior, impulsionaram material CC para a região interna do Sistema Solar. Parte desse material ficou retida no cinturão de asteróides, enquanto os objectos mais massivos foram, de forma preferencial, espalhados para órbitas compatíveis com as dos planetas rochosos.

Os autores resumem a fase de crescimento tardio desta forma: "The late-stage accretion of the terrestrial planets involved a series of giant impacts between NC embryos and planetesimals, with occasional impacts of CC objects," explicam.

Este enquadramento ajuda a ligar vários aspectos do Sistema Solar num mesmo cenário: as massas e as órbitas dos planetas terrestres, a distribuição orbital dos asteróides e, em particular, a fracção de massa CC na Terra e em Marte - sendo que Marte não apresenta as mesmas concentrações de material CC que a Terra.

Aliás, se o cenário small only (em que o material CC existiria apenas como planetesimais) fosse o correcto, então a fracção de CC em Marte e na Terra tenderia a ser aproximadamente a mesma.

Os investigadores procuraram demonstrar - em linha com outros trabalhos - que Theia poderia ter sido o último grande impactor da Terra e que transportaria uma quantidade significativa de material CC. Os resultados apontam nesse sentido.

Nas simulações, o derradeiro impacto gigante da Terra ocorreu com Theia, e esse corpo apresentava concentrações mais elevadas de material CC, o que terá contribuído para tornar a Terra mais propícia à vida. Esta conclusão é consistente com a interpretação científica actualmente em discussão.

Quanto ao calendário, o estudo indica que o último impacto aconteceu entre 5 to 150 milhões de anos após a dispersão do gás, com uma fracção considerável a ocorrer entre 20 to 70 milhões de anos. Os autores reconhecem incertezas na datação do impacto de Theia, e estes intervalos enquadram-se nessas margens.

As simulações também reforçam outras conclusões: embriões e planetesimais CC poderão ter sido incorporados ao longo de todo o crescimento da Terra, mas com maior concentração nas fases mais tardias.

"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.

"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 evidencia ainda o papel de Júpiter na arquitectura do Sistema Solar. Para além de ajudar a “cortar” o cinturão de asteróides, Júpiter terá sido determinante na composição final dos planetas terrestres ao espalhar material CC do Sistema Solar exterior para a trajectória dos mundos rochosos - sobretudo a Terra.

Foram necessárias inúmeras condições “certas” para que a Terra se tornasse o planeta com vida que conhecemos. Até que ponto existirão outros mundos semelhantes permanece em aberto. Estar apenas numa zona habitável pode não ser suficiente para um exoplaneta sustentar vida.

É possível que exista um número impressionante de variáveis que tenham de alinhar, incluindo a presença de planetas gigantes exteriores que migram e entregam carbono a mundos rochosos situados em zonas habitáveis.

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