Entre os planetas rochosos do Sistema Solar, por que a Terra - e só ela - acabou a servir de lar para a vida? Como, num ambiente tão gelado e sem vida, o nosso planeta se tornou quente, acolhedor e capaz de sustentar organismos?
A resposta não é simples nem única. Uma peça importante desse quebra-cabeça vem da cosmoquímica, uma área interdisciplinar que investiga como os elementos químicos se distribuem e, por consequência, que materiais foram incorporados por cada mundo.
Há 4.5 bilhões de anos, o Sistema Solar era um lugar ainda mais turbulento do que hoje. Os planetas estavam em formação e planetesimais e embriões planetários circulavam em grande número, cruzando órbitas e colidindo entre si.
Mesmo nesse cenário caótico, a Terra parece ter recebido uma porção acima da média de condritos carbonáceos - e, com eles, aminoácidos e outras moléculas que facilitam a química da vida.
Cosmoquímica: condritos carbonáceos (CCs) vs. meteoritos não carbonáceos (NCs)
Estudos de cosmoquímica indicam que entre 5% e 10% da massa da Terra veio de condritos carbonáceos (CCs) que atingiram o planeta jovem. Essas mesmas pesquisas sugerem ainda que uma fatia expressiva desse material pode ter chegado com o impactador Theia, associado à formação da Lua.
Um dos recortes mais importantes na cosmoquímica é a distinção entre CCs e meteoritos não carbonáceos (NCs). Essa separação organiza a população de meteoritos em dois grandes grupos e aponta para a existência de dois reservatórios distintos de material no Sistema Solar.
De modo geral, os CCs teriam-se formado mais longe do Sol, provavelmente para além de Júpiter, e carregam mais voláteis, como água e compostos orgânicos. Já os NCs incluem, por exemplo, meteoritos de ferro e tendem a ter menos voláteis.
Simulações dinâmicas da formação do Sistema Solar
Para colocar essas hipóteses à prova de forma mais rigorosa, um grupo de três investigadores recorreu a simulações dinâmicas da formação do Sistema Solar, tentando reproduzir a distribuição de CCs e NCs e entender por que a Terra acabou com mais CCs do que os demais planetas rochosos - em especial, mais do que Marte.
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. A pesquisa será publicada na revista Icarus.
As simulações foram do tipo N-corpos e focaram as fases finais do crescimento dos planetas terrestres, depois que o disco gasoso do Sistema Solar já tinha sido disperso. A massa sólida disponível foi repartida entre planetesimais e embriões planetários.
Os modelos também incluíram CCs que foram desviados para o interior enquanto Júpiter e Saturno ainda cresciam e acumulavam matéria. Como embriões planetários são maiores do que planetesimais, eles têm mais probabilidade de interagir com planetas rochosos e, assim, entregar material do tipo CC.
Três cenários testados (small only, large only e mixed scenario)
Os autores executaram três classes de simulações:
- small only: apenas objetos pequenos de CC, isto é, planetesimais;
- large only: apenas objetos grandes de CC, ou seja, embriões planetários;
- mixed scenario: uma combinação de planetesimais e embriões de CC.
Além disso, para um subconjunto de 10 simulações de cada cenário, foi acrescentado o efeito da instabilidade dinâmica dos planetas gigantes. Em Astronomia, isso é conhecido como "modelo de Nice" e descreve a forma como os gigantes gasosos mudaram de órbita em relação às posições onde se formaram.
O objetivo era duplo: mapear como CCs e NCs se distribuiriam ao longo do Sistema Solar e avaliar se o impacto de Theia poderia explicar a entrega de uma quantidade grande do material CC incorporado pela Terra.
Theia, Júpiter e a entrega de material CC à Terra
Um resultado destacou-se com clareza: a instabilidade dos planetas gigantes - sobretudo a mudança orbital de Júpiter - influenciou de forma marcante a incorporação de material CC pela Terra.
Quando os autores incluíram a instabilidade dinâmica, o comportamento do sistema tornou-se ainda mais expressivo. "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. Ainda assim, o estado final do sistema não se alterou de maneira substancial.
Dentro das simulações, um ponto central é o papel do impactador Theia. Trabalhos anteriores já tinham levantado a possibilidade de Theia ser um corpo carbonáceo. Se isso for correto, parte importante da habitabilidade da 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," afirmam os investigadores.
No conjunto, os resultados descrevem um Sistema Solar primitivo com dois anéis distintos de planetesimais: um anel interno, com planetesimais rochosos, e um anel externo, dominado por condritos carbonáceos.
Mais tarde, à medida que os gigantes gelados migraram para dentro, acabaram por empurrar material CC para a região interna do Sistema Solar. Parte desse material ficou retida no cinturão de asteroides, enquanto os objetos mais massivos foram, de forma preferencial, espalhados para órbitas cruzando as dos planetas rochosos.
"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.
Esse quadro ajuda a conciliar várias características observadas: as massas e as órbitas dos planetas terrestres, a distribuição orbital dos asteroides e, sobretudo, a fração de massa de CC na Terra e em Marte - com Marte exibindo uma escassez relativa desse material em comparação com a Terra.
Se o cenário small only fosse o correto - isto é, se o material CC existisse apenas como planetesimais - então as frações de massa de CC em Marte e na Terra tenderiam a ser aproximadamente iguais.
O estudo procurou demonstrar, em linha com outras investigações, que Theia poderia ter sido o último grande impactador da Terra e que trazia uma quantidade relevante de material CC. Pelos resultados, os autores consideram ter atingido esse objetivo.
Nas simulações, o último impacto gigante da Terra envolveu Theia, e esse corpo apresentava concentrações mais elevadas de material CC, contribuindo para tornar o planeta habitável - um desfecho coerente com a visão científica atual.
O trabalho indica que o último impacto ocorreu entre 5 e 150 milhões de anos após a dispersão do gás. Uma fração grande dos casos concentrou-se entre 20 e 70 milhões de anos. Como o momento exato do impacto de Theia ainda tem incertezas, os valores obtidos mantêm-se compatíveis com essas margens.
As simulações também reforçam conclusões anteriores ao sugerirem que embriões e planetesimais de CC podem ter sido incorporados ao longo de todo o crescimento da Terra, mas com maior concentração nas etapas finais.
"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."
Os autores também ressaltam a importância de Júpiter na arquitetura do Sistema Solar. Além de limitar a extensão do cinturão de asteroides, o planeta teve um papel decisivo na composição final dos mundos rochosos ao espalhar material CC do Sistema Solar externo para a região atravessada pelas órbitas desses planetas - especialmente a da Terra.
Para que a Terra se tornasse o mundo capaz de sustentar vida que é hoje, inúmeras condições precisaram alinhar-se. A probabilidade de existirem outros mundos semelhantes permanece desconhecida. Pode ser que, para um exoplaneta sustentar vida, não baste estar na zona habitável.
É possível que exista uma quantidade desconcertante de variáveis que precisem dar certo, incluindo a presença de planetas gigantes externos que migram e entregam carbono a mundos rochosos situados em zonas habitáveis.
Este artigo foi originalmente publicado pelo Universo Hoje. Leia o artigo original.
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