Simulações do crescimento da Terra mostram uma correlação entre o
momento da formação da Lua e a quantidade de massa que a Terra acumulou
posteriormente. Esse relacionamento fornece uma maneira de medir a idade do nosso planeta.Ver Cartap.84
A idade dos objetos mais antigos do Sistema Solar é conhecida com uma precisão notável - 4.567 milhões de anos 1 , 2 - graças aos recentes avanços na datação de meteoritos. Infelizmente, a aplicação dos mesmos métodos de namoro na Terra gera uma época frustrantemente confusa.
Nosso planeta se formou em algum momento durante os primeiros 150 milhões de anos da história do Sistema Solar 3 , 4 , 5 , mas não sabemos quando.
Na página 84 desta edição, Jacobson et al .6
propõem uma maneira de medir o tempo em que a Terra terminou de se
formar usando simulações numéricas do crescimento do planeta e sua
composição química.
O resultado: a Terra se formou em 95 milhões de anos, com uma incerteza
de 32 a 39 milhões de anos, tornando o planeta com 4.470 milhões de
anos.
Uma grande parte do problema de namorar a Terra é que nosso planeta não apareceu da noite para o dia. A partir de origens humildes, a Terra gradualmente acumulou material por um longo período de tempo. De fato, ainda hoje está ganhando massa na forma de meteoritos e partículas de poeira interplanetárias. O que é necessário é um marco no crescimento da Terra, no qual podemos dizer que o planeta estava essencialmente completo. Um marco amplamente adotado é a principal colisão com um corpo do tamanho de um planeta que se pensa ter formado a Lua 7 ( Fig. 1 ).
A teoria atual sugere que a Terra experimentou vários desses 'impactos
gigantes' durante sua formação, sendo o último o impacto da formação da
Lua. Cada impacto misturava material que acabaria no núcleo metálico da Terra e no manto rochoso, além de adicionar volume a ambos.
Figura 1: Nascer da Terra a partir da Lua.
NASA
Jacobson et al .6
descobrem que o momento do impacto da formação da lua na Terra está
inversamente relacionado à quantidade de massa que o planeta acumulou
posteriormente.
A natureza prolongada do crescimento da Terra e a existência de
múltiplos impactos gigantes complicam a tarefa de datar a Terra usando
relógios radiométricos - aqueles que combinam taxas conhecidas de
decaimento de materiais radioativos com medições de como esses materiais
e seus produtos de decaimento estão hoje distribuídos na Terra.
Por um lado, não está claro quanta mistura de material do núcleo e do
manto ocorreu com cada impacto gigante e até que ponto os relógios
radiométricos foram redefinidos como resultado.
A Terra provavelmente guarda uma memória de vários desses eventos, e não apenas do último.
Impactos gigantes podem ter lançado alguns dos elementos mais voláteis
do planeta para o espaço, distorcendo os sistemas de datação
radiométrica que assumem que todos os produtos de decaimento radioativo
ainda estão presentes. Também é possível que o núcleo e o manto da Terra continuem interagindo por algum tempo após o último impacto gigante.
É aqui que modelar o crescimento do nosso planeta pode render dividendos.A formação dos planetas rochosos do Sol provavelmente passou por vários estágios 8
, começando com grãos de poeira do tamanho de micrômetros no nascente
Sistema Solar, passando para corpos do tamanho de asteroides conhecidos
como planetesimais e, depois, para algumas dezenas de massas da Lua para
Marte embriões planetários.
O acúmulo desses embriões planetários nos planetas rochosos modernos
por meio de impactos gigantes ocasionais foi de longe o estágio mais
lento e determinou em grande parte quanto tempo a Terra levou para se
formar.
Jacobson et al . modelaram esse estágio final de crescimento, começando com várias populações de embriões planetários e planetesimais.
Eles também examinaram dois cenários amplamente diferentes para o que
os planetas gigantes do Sistema Solar estavam fazendo durante esse
período.
No caminho, os autores encontraram uma correlação interessante e
notavelmente robusta: o momento do último impacto gigante na Terra está
inversamente relacionado à quantidade de massa que o planeta acumulou
depois das sobras planetesimais. Se o último impacto gigante ocorresse logo no início, haveria muitos planetesimais sobrando para a Terra varrer depois.
Se o último impacto gigante estivesse atrasado, poucos planetesimais
teriam permanecido e o crescimento da Terra teria cessado em grande
parte.
Essa correlação fornece uma maneira independente de datar o impacto da
formação da Lua, desde que possamos medir a quantidade de material que
chegou posteriormente. Felizmente, há uma maneira de fazer isso. Vários elementos, como o irídio e a platina, mostram uma forte tendência a se mover para o núcleo da Terra.
Durante a agitação de cada impacto gigante, esses elementos se
desprenderam do manto do planeta, unindo-se a material pesado e rico em
ferro, destinado a afundar até o núcleo. Após o último impacto gigante, o manto da Terra deveria ter sido quase completamente despido de irídio, platina e seus primos.
Na prática, esses elementos estão presentes em pequenas quantidades no
manto e nas mesmas proporções relativas vistas em muitos meteoritos 9 .
Para muitos pesquisadores, isso sugere que a Terra adquiriu uma fração
de sua massa após o último impacto gigante, quando o núcleo e o manto
deixaram de se separar. Jacobson et al .
combine a massa medida desse material extra com a correlação de suas
simulações até a data do impacto da formação da Lua e deduza a idade da
Terra. Eles acham muito improvável que a Terra tenha terminado de se formar nos primeiros 38 milhões de anos do Sistema Solar.
Seu tempo favorecido - 95 milhões de anos - é compatível com algumas
estimativas de datação radiométrica de quando o núcleo da Terra terminou
de formar 4 e torna a Terra confortavelmente mais velha do que os minerais mais antigos conhecidos por se formarem em sua crosta 10 .
Naturalmente, o método de Jacobson e colegas é tão válido quanto a nossa imagem de como os planetas se formam.
O modelo padrão para a formação de planetas no Sistema Solar está longe
de ser completo e, ultimamente, houve um tempo tórrido tentando
explicar alguns aspectos dos sistemas planetários extra-solares, como a
existência de planetas do tamanho da Terra orbitando muito perto de sua
estrela 11 . Se as condições durante o crescimento dos planetas fossem diferentes das assumidas por Jacobson et al ., A idade estimada dos autores para a Terra poderia estar incorreta.
Apesar dessa advertência, é encorajador ver estudos que combinem a
física fundamental inerente às simulações numéricas da formação de
planetas com a riqueza de informações disponíveis na composição da
Terra.
Compreender como e quando os planetas do Sol se formaram é imensamente
desafiador, e os pesquisadores precisam de todas as ferramentas
disponíveis. Estudos como o de Jacobson e colegas podem ser a melhor esperança para entender como e quando o nosso planeta surgiu.
Referências
1
Amelin, Y. et ai.Planeta Terra.Sci.Lett.300 , 343- 350 (2010).
Mercúrio: órbita alongada e inclinada teria sido causada por interação gravitacional com Júpiter há 4 bilhões de anos
Entender as origens de Mercúrio, o menor planeta do Sistema Solar, é
um dos problemas em aberto da dinâmica planetária que mais perturbam os
especialistas. Sua minúscula massa, quase 20 vezes menor que a da Terra,
e singular órbita em torno do Sol, a mais alongada e inclinada de todos
os planetas do sistema, não conseguem ser explicadas pela maioria dos
modelos de formação planetária. Até meados dos anos 1990, a explicação
mais aceita era a de que todos os planetas do sistema solar teriam se
formado mais ou menos na mesma posição em que hoje se encontram. Com a
descoberta confirmada, nos últimos 20 anos, de quase 3 mil planetas em
órbita de outras estrelas que não o Sol, os chamados exoplanetas,
compondo sistemas diferentes do solar, a condição peculiar de Mercúrio
se configura cada vez mais como uma exceção na galáxia – e novas
explicações sobre sua condição ganharam espaço.
Um trabalho recente dos cientistas planetários Fernando Roig e Sandro
Ricardo de Souza, do Observatório Nacional (ON), no Rio de Janeiro, e
do checo David Nesvorný, do Instituto de Pesquisa do Sudoeste, no
Colorado, Estados Unidos, defende uma nova hipótese para justificar a
estranha localização de Mercúrio, cuja órbita se encontra 7 graus
inclinada em relação ao plano orbital médio dos outros planetas.
Baseados em simulações em computador de como teria sido a dinâmica do
Sistema Solar há mais de 4 bilhões de anos, os pesquisadores sugerem que
a órbita do planeta se alongou e inclinou demais em razão de um grande
evento. Em algum momento durante os primeiros 500 milhões de anos do
Sistema Solar, a interação gravitacional entre um hipotético planeta
gasoso e gigante, do tamanho de Urano, e Júpiter, também gasoso e
gigante, teria alterado as condições locais. O planeta desconhecido
teria sido ejetado do sistema e feito Júpiter se deslocar bruscamente em
direção ao Sol. O “pulo” de Júpiter teria empurrado Mercúrio para sua
posição atual (ver infográfico).
Esse suposto evento é conhecido como Júpiter Saltitante. Segundo essa
teoria, o pulo de Júpiter teria sido capaz de dar origem à atual órbita
de Mercúrio e também garantir a estabilidade da trajetória de todos os
planetas rochosos, incluindo a Terra, em torno da estrela. “Parece um
contrassenso”, reconhece Roig, “mas tudo indica que os planetas gigantes
gasosos precisaram passar por uma fase de instabilidade para que os
rochosos permanecessem estáveis”. Nas simulações, o salto na órbita de
Júpiter provocado pela expulsão do planeta hipotético quase não altera
as órbitas dos planetas rochosos, com exceção de Mercúrio. Roig explica
que, caso Júpiter tivesse percorrido seu caminho mais lentamente em vez
de ter dado um pulo na direção do Sol, a órbita de Mercúrio poderia ter
se tornado ainda mais alongada e inclinada do que é hoje. Se isso
tivesse ocorrido, Mercúrio poderia ter sido ejetado do Sistema Solar ou
colidido com seu vizinho, Vênus. Segundo o astrofísico, tal choque
provocaria um efeito em cascata que destruiria todos os planetas
rochosos. Júpiter precisou dar um pulo para que os planetas rochosos
sobrevivessem”, sugere Roig.
Há pouco mais de 20 anos, a maioria dos pesquisadores acreditava que os planetas do Sistema Solar teriam se formado, grosso modo,
na mesma posição ocupada atualmente, por meio de um processo lento e
suave de acréscimo de gás e poeira. Esses modelos previam que outras
estrelas deveriam dar origem a sistemas planetários parecidos com o
solar, com duas populações distintas de planetas: os rochosos, de
tamanho parecido com o da Terra, próximos da estrela; e os gigantes
gasosos, como Júpiter ou Saturno, mais afastados. “A descoberta de
exoplanetas mudou radicalmente essa ideia”, explica Roig. “Vimos que há
uma variedade de configurações planetárias muito diferentes do nosso
Sistema Solar.”
Análises estatísticas das características de todos os sistemas de
exoplanetas descobertos até hoje sugerem que estrelas parecidas com o
Sol tendem a ter sistemas planetários bem diferentes, muitos deles
compostos de planetas rochosos duas a três vezes maiores que a Terra,
com órbitas mais próximas de suas estrelas do que a de Mercúrio está do
Sol. A órbita de Júpiter, quase circular e bem afastada do Sol, também
destoa do que é observado em muitos sistemas exoplanetários.
Nuvem primordial de gás e poeira
É consenso entre os astrônomos que o Sol e seus planetas começaram a se
formar há 4,6 bilhões de anos, quando uma nuvem gigantesca de gás e
poeira no espaço interestelar colapsou pela ação da força gravitacional
de sua própria massa. Havia então um núcleo esférico de gás, que deu
origem ao Sol, cercado por um disco de matéria a partir do qual tomaram
corpo os planetas. Os primeiros mundos a se formar teriam sido os
gigantes gasosos, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno, e algumas dezenas de
milhões de anos mais tarde os planetas rochosos, Mercúrio, Venus, Terra
e Marte. Alguns pesquisadores especulam que Mercúrio teria se originado
a partir dos fragmentos de uma primeira geração de planetas rochosos
maiores, com massas semelhantes à da Terra, e mais próximos do Sol do
que Mercúrio está atualmente.
O processo de formação dos gigantes gasosos teria durado menos de 10
milhões de anos. Nessa época ainda havia no espaço entre os planetas uma
quantidade razoável de gás remanescente da matéria do disco a partir do
qual eles se originaram. O arrasto do gás fez com que os planetas
tendessem a migrar para perto do Sol. Em algum momento, porém, a atração
gravitacional mútua entre Júpiter e Saturno teria invertido o sentido
de migração dos dois gigantes gasosos, afastando-os do Sol. Esse
movimento de ida e volta dos gigantes gasosos é chamado pelos
pesquisadores de grand tack, uma alusão a uma manobra dos barcos a vela, o tacking, quando seu curso é revertido em relação à direção do vento. Logo após o grand tack, os planetas rochosos atuais já teriam se formado ou estariam perto de se formar mais ou menos em suas posições atuais.
As órbitas dos gigantes gasosos deviam ser bem diferentes. Júpiter
estaria um pouco mais afastado do Sol do que está atualmente, enquanto
os demais gigantes gasosos estariam muito mais próximos de Júpiter e uns
dos outros. É possível que os gigantes gasosos tenham permanecido nessa
configuração mais compacta que a atual por até 500 milhões de anos.
Muito próximos, porém, eles deveriam ser constantemente perturbados pela
força gravitacional uns dos outros. Além disso, esses planetas poderiam
sofrer, ainda, com a presença de muitos corpos menos massivos –
planetesimais – no meio de suas órbitas.
Os gigantes foram se livrando desses planetesimais aos poucos,
empurrando-os em direção aos confins do Sistema Solar, onde hoje se
encontram o chamado cinturão de Kuiper, cujo corpo mais famoso é Plutão,
e a nuvem de Oort. Em 2005, os astrônomos Hal Levison, Alessandro
Morbidelli, Kleomentis Tsiganis e Rodney Gomes, este último também
pesquisador do ON, apresentaram simulações em computador mostrando como,
a partir dessa situação inicial instável, os gigantes gasosos teriam
lentamente se afastado uns dos outros, migrando durante alguns milhões
de anos até suas posições atuais.
Conhecida como modelo de Nice, por ter sido criada quando seus
autores trabalhavam juntos no Observatório da Costa Azul, na cidade
francesa, a teoria ganhou destaque por explicar a arquitetura atual dos
planetas gigantes. Em 2009, porém, o astrônomo holandês Ramon Brasser
notou que a lenta migração dos gigantes gasosos prevista pelo modelo de
Nice teria uma grande chance de ter provocado uma série de colisões
planetárias. A movimentação dos gigantes gasosos poderia ter resultado
na expulsão de um deles – normalmente Urano – do Sistema Solar.
Para resolver essa inconsistência, o astrônomo David Nesvorný, do
Instituto de Pesquisa do Sudoeste, que atualmente colabora com Roig como
pesquisador visitante no ON, propôs, em 2011, que o Sistema Solar teria
tido um quinto planeta gigante gasoso, de tamanho semelhante ao de
Urano ou Netuno. Nesvorný calculou que a ejeção desse planeta hipotético
teria feito com que a distância da órbita de Júpiter ao Sol passasse de
5,5 vezes a distância da Terra ao Sol para 5,2 vezes em menos de 100
mil anos. “Na escala de tempo de formação do Sistema Solar, essa mudança
de órbita teria ocorrido em um tempo muito curto. Por isso a
descrevemos como um salto de Júpiter”, explica Roig. “O modelo de Nice
funciona bem para explicar os gigantes gasosos, mas logo se percebeu que
a migração suave dos gigantes prevista por essa teoria dificultaria a
formação dos planetas rochosos”, justifica o astrônomo Othon Winter,
especialista em dinâmica planetária da Universidade Estadual Paulista
(Unesp), campus de Guaratinguetá. “Até agora, o Júpiter Saltitante é a única solução que se conhece para esse problema.”
Mundos errantes
Em colaboração com outros pesquisadores, incluindo o astrônomo Valerio
Carruba, da Unesp, Roig e Nesvorný indicaram recentemente que o cenário
do Júpiter Saltitante também poderia explicar algumas características do
cinturão de asteroides entre Marte e Júpiter. O resultado das
simulações publicadas em março na revista Icarus oferece uma
explicação de por que os astrônomos não conseguem observar no cinturão
as evidências de grandes colisões anteriores a 4 bilhões de anos entre
asteroides. No artigo, os autores afirmam que a presença do hipotético
quinto gigante, e sua posterior expulsão do sistema, teria embaralhado
as órbitas dos asteroides a ponto de apagar qualquer evidência desses
choques.
A ideia de que um planeta gigante gasoso escapou do Sistema Solar e
se desgarrou de sua estrela não é tão maluca quanto parece. Roig lembra
que astrônomos já observaram efeitos de lente gravitacional na luz de
estrelas que podem ser atribuídos à passagem de planetas gigantes
vagando pelo espaço interestelar. Alguns pesquisadores estimam que haja
milhares de mundos errantes na Via Láctea. “Não existe maneira de esses
corpos se formarem longe de estrelas”, explica Roig. “Eles devem ter
surgido em um sistema planetário e depois foram ejetados.”
Projeto
Famílias de asteroides em ressonâncias seculares (nº 2014/06762-2); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Regular; Pesquisador responsável Valerio Carruba (Unesp); Investimento R$ 31.200,00.
