De que forma Theia e os condritos carbonáceos tornaram a Terra habitável

Em um Sistema Solar cheio de mundos rochosos, a Terra parece ter tirado a “sorte grande”: aqui, a superfície não ficou presa a um deserto congelado e sem vida, mas acabou virando um lugar quente, estável e propício para a biologia. O que fez exatamente este planeta - e não outros vizinhos pedregosos - se tornar um lar para a vida?

A resposta não cabe em uma única explicação. Ela envolve uma combinação de processos, e uma parte importante vem da cosmoquímica, uma área interdisciplinar que investiga como os elementos químicos se distribuem e se misturam durante a formação de planetas e outros corpos.

O Sistema Solar é um lugar agitado, com tudo em movimento. E há 4,5 bilhões de anos era ainda mais caótico: os planetas estavam se formando, enquanto planetesimais e embriões planetários cruzavam o espaço, se chocando e se despedaçando.

De algum jeito, no meio dessa bagunça, a Terra recebeu mais do que a sua “cota” de condritos carbonáceos e dos aminoácidos e outras substâncias essenciais à vida que vieram junto com eles.

Estudos em cosmoquímica mostram que entre 5% e 10% da massa da Terra veio de condritos carbonáceos (CCs) que colidiram com o planeta jovem. E trabalhos anteriores também indicam que uma parte significativa desse material pode ter vindo do impactor Theia - o corpo que, ao atingir a Terra, deu origem à Lua.

Para colocar essas ideias à prova de forma mais rigorosa, três pesquisadores recorreram a simulações dinâmicas da formação do Sistema Solar para ver se conseguiriam reproduzir esse cenário.

A pesquisa se chama “Dynamical origin of Theia, the last giant impactor on Earth”. O autor principal é Duarte Branco, do Institute of Astrophysics and Space Sciences, no Observatório Astronômico de Lisboa, em Portugal. O estudo será publicado na revista Icarus.

Uma distinção fundamental na cosmoquímica é a diferença entre condritos carbonáceos (CCs) e meteoritos não carbonáceos (NCs). Essa separação divide a população de meteoritos do Sistema Solar em dois grupos e sugere que existiram dois reservatórios distintos de material.

Os CCs se formaram mais longe do Sol, provavelmente além de Júpiter, e carregam mais voláteis - como água - e compostos orgânicos. Já os NCs incluem, por exemplo, meteoritos de ferro e têm menos voláteis.

Para testar a hipótese de que Theia trouxe CCs e voláteis para a Terra, os pesquisadores rodaram simulações detalhadas do Sistema Solar. Foram simulações de N-corpos (N-body) focadas nas etapas finais do crescimento dos planetas terrestres.

As simulações começaram após a dispersão do disco gasoso do Sistema Solar, já nas fases tardias de crescimento planetário. A massa sólida disponível foi dividida entre planetesimais e embriões planetários.

O modelo incluiu 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 entregar material CC.

Os pesquisadores executaram três tipos de simulações. A primeira, chamada small only, inclui apenas objetos CC pequenos, ou planetesimais. A segunda, large only, inclui apenas objetos CC grandes, os embriões planetários. A terceira combina planetesimais e embriões CC e recebe o nome de mixed scenario.

Em um subconjunto de 10 simulações de cada cenário, eles também incluíram o efeito da instabilidade dinâmica dos planetas gigantes. Isso é conhecido na astronomia como “modelo de Nice” e descreve como os planetas gigantes mudaram suas órbitas em relação à posição onde se formaram inicialmente.

O objetivo era entender como CCs e NCs se distribuíam no Sistema Solar e por que a Terra terminou com mais CCs do que os outros planetas rochosos - especialmente Marte. Eles também queriam avaliar se o impacto de Theia poderia ser o responsável por entregar uma grande fração do material CC da Terra.

Um resultado claro é que a instabilidade dos planetas gigantes, sobretudo a mudança de órbita de Júpiter, teve um efeito marcante na acreção de material CC pela Terra.

Quando os pesquisadores adicionaram a instabilidade dinâmica dos gigantes, o cenário ficou ainda mais chamativo. “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 não mudou muito.

Uma parte crucial das simulações envolve o impactor Theia. Pesquisas anteriores sugerem que Theia pode ter sido um objeto carbonáceo. Se isso estiver correto, uma parcela relevante da habitabilidade da Terra - e, por extensão, do que permitiu a vida - 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 geral, as simulações desenham um Sistema Solar primitivo com dois anéis distintos de planetesimais: um anel interno de planetesimais rochosos e um anel externo de condritos carbonáceos.

Mais tarde, à medida que os gigantes de gelo migraram para dentro, eles impulsionaram material CC rumo ao Sistema Solar interno. Parte desse material ficou presa no cinturão de asteroides, enquanto os corpos mais massivos foram espalhados de forma preferencial para as órbitas 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 os autores.

Esse cenário ajuda a explicar vários aspectos do Sistema Solar. Ele reproduz as massas e órbitas dos planetas terrestres, e a distribuição orbital dos asteroides. Também é compatível com a fração de massa CC da Terra e de Marte, sendo que Marte não apresenta as mesmas concentrações de material CC que a Terra.

Se a simulação small only estivesse correta - isto é, se o material CC existisse apenas como planetesimais - a fração de massa CC em Marte e na Terra seria aproximadamente a mesma.

Os pesquisadores buscaram mostrar que, em linha com outros trabalhos, Theia poderia ter sido o último grande impactor da Terra e que carregava uma quantidade considerável de material CC. E os resultados indicam que eles conseguiram.

Nas simulações, o último grande impacto da Terra foi com Theia, e esse objeto tinha concentrações mais altas de material CC, o que ajudou a tornar a Terra habitável. Esse resultado está alinhado com o entendimento científico atual.

O trabalho mostra que esse último impacto ocorreu entre 5 e 150 milhões de anos após a dispersão do gás. Uma grande fração aconteceu entre 20 e 70 milhões de anos. Há incertezas sobre o momento exato do impacto de Theia, e esses resultados se encaixam dentro dessas margens.

As simulações também reforçam outras conclusões: embriões e planetesimais CC podem ter sido incorporados ao longo do crescimento da Terra, mas ficaram mais concentrados nas fases finais desse crescimento.

“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.”

A pesquisa também mostra que Júpiter teve um papel importante na arquitetura do Sistema Solar. Além de truncar o cinturão de asteroides, ele influenciou a composição final dos planetas terrestres ao espalhar material CC do Sistema Solar externo para o caminho dos mundos rochosos - especialmente a Terra.

Muitas coisas precisaram dar certo para que a Terra se tornasse o mundo capaz de sustentar vida que é hoje. Não se sabe quão provável é existirem outros mundos parecidos por aí. Pode ser que, para um exoplaneta sustentar vida, não baste estar na zona habitável.

Pode haver um número enorme de variáveis que precisam se alinhar, incluindo planetas gigantes externos que migram e entregam carbono a mundos rochosos dentro de zonas habitáveis.

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