Bob O’Dell não tinha certeza do que estava olhando. Era 1992, e ele tinha acabado de colocar as mãos em novas imagens do Telescópio Espacial Hubble que focalizava jovens estrelas na Nebulosa de Órion. O’Dell esperava estudar a própria nebulosa, uma região interessante de formação de estrelas relativamente perto da Terra. No entanto, outra coisa chamou sua atenção. Várias das estrelas não pareciam estrelas, mas estavam envolvidas por uma mortalha escura. Eles pareciam formar uma “silhueta contra a nebulosa”, disse O’Dell.
A princípio O’Dell e seus colegas pensaram que poderiam estar vendo um artefato de imagem resultante do espelho primário deformado do Hubble, que havia sido moldado levemente na forma errada e seria consertado por uma missão de ônibus espacial em 1993. “Nós realmente nos perguntamos se isso fosse um efeito residual do espelho primário defeituoso “, disse O’Dell, que havia sido o cientista do projeto do Hubble. Logo, no entanto, eles viram mais e mais fenômenos nas imagens, mesmo depois que o espelho foi consertado, e perceberam que não era uma falha de forma alguma. Na verdade, eles estavam vendo discos infantis de poeira e gás em torno de estrelas jovens. Eles estavam, pela primeira vez, testemunhando o nascimento de planetas.
A descoberta de discos protoplanetários por O’Dell desencadeou uma transformação em nossa compreensão da formação do planeta. Nas décadas seguintes, os astrônomos perceberiam que nossa ideia clássica de como os planetas se formam – pequenas rochas se aglomeram em rochas maiores, que então se aglomeram ainda mais – pode não ser correta. Para os gigantes gasosos, como Júpiter e Saturno, um modelo chamado acreção de seixos, em que um objeto dominante engole rochas menores, viria a substituir as antigas visões de como esses mundos monstruosos surgiram.
Os mundos rochosos do sistema solar interno são mais complicados. Cientistas planetários têm debatido intensamente se a acumulação de seixos pode explicar como a Terra e seus vizinhos surgiram, ou se a visão mais antiga ainda é mais provável. O confronto aconteceu nos últimos anos em artigos de jornais e até, mais recentemente, em um castelo nos Alpes da Baviera.
O debate não afeta apenas grandes mistérios, como a origem da Terra – e sua água. A resposta também ajudará a revelar o quão prevalentes são os mundos semelhantes à Terra em todo o universo. Esses mundos são um acaso cósmico, meramente uma combinação de eventos fortuitos que tornam mínimas as perspectivas de vida em outras partes do universo? Ou os planetas habitáveis são uma certeza em sistemas solares com apenas os ingredientes certos, tornando-nos apenas um entre muitos?
“Faz parte da experiência humana perguntar como o mundo ao nosso redor se formou”, disse Konstantin Batygin, cientista planetário do Instituto de Tecnologia da Califórnia. Se for formado a partir de seixos, terá consequências enormes para a quantidade de mundos como o nosso que existem por aí.
Invasão das Pedras
Em 2012, Anders Johansen e Michiel Lambrechts, astrônomos da Universidade de Lund, na Suécia, fizeram uma previsão ousada. Durante grande parte das décadas anteriores, os astrônomos acreditaram que planetas como a Terra e Júpiter cresceram a partir do acúmulo gradual de objetos semelhantes a asteróides, planetesimais, que colidiram entre si em sistemas solares jovens. Este processo, conhecido como acréscimo planetesimal, seria lento – talvez levando até 100 milhões de anos para formar um planeta. Mas fez sentido. Nós podíamos ver muitos asteróides em nosso sistema solar, e parecia razoável supor que existiam muitos mais quando ele se formou, 4,5 bilhões de anos atrás, o suficiente para formar todos os mundos que vemos hoje.
Mas houve problemas. Ninguém sabia ao certo como os próprios planetesimais se formavam – como saltavam de minúsculos grãos de poeira para rochas do tamanho de uma cidade, um problema conhecido como barreira do tamanho de um metro. A presença de água líquida na Terra era confusa, pois dependia da chegada casual de asteróides portadores de água. E o mais preocupante, o acréscimo planetesimal levaria muito tempo para construir Saturno, Urano e Netuno. No momento em que seus núcleos sólidos se formassem – após dezenas de milhões de anos – seria tarde demais para eles acumularem gás suficiente do disco protoplanetário para se tornarem gigantes gasosos, já que “a maioria dos discos desaparece em alguns milhões de anos”, disse André Izidoro, cientista planetário da Rice University.
Johansen e Lambrechts propuseram um novo modelo. Em vez de vários planetesimais colidirem, eles sugeriram que um único planetesimal dominante poderia crescer até um tamanho enorme em um curto período de tempo – apenas alguns milhões de anos – varrendo o material dentro de um disco protoplanetário “como um aspirador de pó”, disse Johansen. Este material consistiria em minúsculas rochas semelhantes a sementes que circundavam estrelas jovens. Eles chamaram a ideia de acréscimo de seixo.
Os seixos são extremamente pequenos, com apenas alguns milímetros a centímetros de tamanho, enquanto os planetesimais são muito maiores, com até centenas de quilômetros de largura, como muitos dos asteróides que vemos no sistema solar hoje. Ambos seriam encontrados no disco protoplanetário de uma estrela, com o último ocasionalmente colidindo um com o outro.
Em 2014, apenas dois anos depois de Johansen e Lambrechts publicarem seu modelo de seixos, as observações revelaram que os discos estavam realmente cheios de seixos. Uma rede de 66 telescópios chamada ALMA (Atacama Large Millimeter / submillimeter Array) revelou até 100 massas terrestres de seixos dentro de um disco protoplanetário em torno de uma jovem estrela, incluindo grandes lacunas criadas por planetas em crescimento que esculpem suas órbitas. Dentro desses discos, seixos estavam por toda parte. O ALMA “mostrou que os discos protoplanetários nascem com enormes reservatórios de massa de pequenos seixos, não planetesimais”, disse Lambrechts.
Em pouco tempo, a maioria dos cientistas concordou que a acumulação de seixos formava os planetas gigantes. Parecia ser a única maneira de crescerem rápido o suficiente. “Para os núcleos dos planetas gigantes, não há dúvida de que o acúmulo de seixos é a solução”, disse Alessandro Morbidelli, cientista planetário do Observatório Côte d’Azur, na França.
No entanto, embora aparentemente explicasse a formação de Júpiter, Saturno, Urano e Netuno, o acréscimo de seixos levantou questões consideráveis sobre a formação dos planetas terrestres: Mercúrio, Vênus, Terra e Marte. “Em princípio, pode-se formar os planetas terrestres com acréscimo planetesimal”, disse Lambrechts. “Mas agora há essa invasão das pedras.”
No modelo de acreção de seixos, você começa com um disco protoplanetário ao redor de uma jovem estrela, assim como no modelo de acreção planetesimal. Ambos os modelos requerem que os planetesimais se formem por meio de um fenômeno chamado instabilidade de fluxo. Essencialmente, a poeira e os seixos sofrem resistência ao encontrar o gás ao redor da estrela. Isso faz com que as pedras se aglomerem, até que alguns aglomerados “sejam tão maciços que se tornam gravitacionalmente presos e colapsam em planetesimais” com centenas de quilômetros de largura, disse Joanna Drkowska, astrofísica da Universidade Ludwig Maximilian de Munique. Os aglomerados podem então girar à medida que se formam, o que lhes dá dois lóbulos. “Isso é exatamente o que vemos” em objetos externos do sistema solar, como Arrokoth, disse Drkowska. Espera-se que o processo seja incrivelmente rápido, levando apenas 100 anos.
A partir daqui, os dois modelos divergem. Sob o acréscimo planetesimal, esses planetesimais se formam em todas as partes do disco, deixando poucos seixos sobrando. Ao longo de dezenas de milhões de anos, os grandes planetesimais colidem e se fundem, dando origem aos planetas terrestres que vemos hoje.
Na acumulação de seixos, apenas alguns planetesimais tornam-se dominantes. Esses planetesimais começam a varrer as pedras do disco protoplanetário, que fluem para a superfície do planetesimal em longos filamentos semelhantes a rios. É um processo extremamente enérgico, com oceanos de magma quente brilhando na superfície enquanto chovem seixos. “Esses planetas brilhariam”, disse Lambrechts. O processo é muito eficiente; A Terra cresceria até seu tamanho total em apenas alguns milhões de anos, em comparação com talvez 100 milhões de anos no acréscimo planetesimal.
Um dos resultados mais interessantes do acréscimo de seixos é que ele fornece uma previsão direta de como os planetas habitáveis se formam. Em vez de depender de asteróides ricos em água para colidir desordenadamente com protoplanetas, o modelo sugere que seixos gelados vindos do sistema solar externo poderiam fornecer um suprimento constante de água para um planeta como a Terra, uma ideia conhecida como neve de seixo. “O bom da neve de cascalho é que ela se torna previsível”, disse Johansen. “A quantidade de água, carbono e nitrogênio que chega à Terra é algo que pode ser calculado.”
Assim, se o modelo de acréscimo de seixos para a formação de planetas terrestres estiver correto, pode ser um bom presságio para as perspectivas de outra vida no universo. Enquanto na acumulação planetesimal a existência de água na Terra era um evento casual, na acumulação de seixos isso poderia ser esperado em um sistema planetário como o nosso. Pegue uma proto-Terra e coloque-a ao redor de uma estrela semelhante em uma posição semelhante, e a quantidade de água que ela coleta pode ser a mesma. Mundos habitáveis não seriam acontecimentos fortuitos; sua existência seria um resultado calculável se um sistema planetário tivesse os ingredientes certos. “Pode-se usar isso como um ponto de partida para entender a química pré-biótica e a origem da vida”, diz Johansen.
O grande arquiteto
O acréscimo de seixos parece uma ideia atraente. Resolve o problema do rápido crescimento do planeta, explica a presença de água na Terra e podemos até observar seixos em sistemas exoplanetários em desenvolvimento. “Com o ALMA, sabemos agora que os seixos estão concentrados em regiões específicas que levam à formação planetesimal e potencialmente planetas”, disse Paola Pinilla, cientista de formação planetária da University College London.
No entanto, embora forneça uma boa explicação do crescimento de planetas gigantes, o acréscimo de seixos tem alguns problemas notáveis quando se trata de planetas terrestres.
Primeiro, de onde vêm as pedras do sistema solar interno? Nos últimos anos, os cientistas planetários passaram a acreditar que Júpiter, o maior planeta do nosso sistema solar, foi a principal força que moldou o destino dos planetas. “A imagem emergente é que Júpiter foi o grande arquiteto do sistema solar”, disse Batygin.
Logo após a rápida formação de Júpiter, ele criou uma barreira entre o sistema solar interno e externo, impedindo que o material das regiões externas “ricas em massa” fluísse para os planetas terrestres internos “famintos por massa”, disse Batygin. “Os planetas gigantes bloquearam o fluxo de poeira e seixos”, disse Morbidelli. Seixos no disco interno podem ter se dissipado antes que os planetas terrestres pudessem se formar e, sem mais material vindo do sistema solar externo, simplesmente não haveria material suficiente para fazer a Terra.
Mesmo se houvesse material suficiente, o acréscimo de seixos esbarra em outro problema: é extremamente eficiente, mas talvez até demais. Se a Terra e os outros planetas terrestres se formaram por acréscimo de seixos, não está claro por que eles não cresceram cada vez mais, eventualmente se tornando superterras – mundos em algum lugar entre a Terra e Netuno em tamanho, que parecem ser relativamente comuns em outros planetas planetários sistemas. “A dificuldade com o acúmulo de seixos é que ou não é muito eficiente ou é muito eficiente”, disse Sean Raymond, astrônomo do Laboratório de Astrofísica de Bordeaux, na França. “Raramente é no meio. E para trabalhar para os planetas terrestres, você precisa ter a quantidade certa de coisas. ” Muito pouco material e planetas simplesmente nunca crescem. Demais, os planetas crescem muito rapidamente “e o sistema solar teria superterras em vez de planetas terrestres”, disse Raymond.
Essas questões têm causado um debate considerável entre os cientistas planetários nos últimos anos, com muitas pesquisas em andamento de ambos os lados do argumento. Em setembro, Morbidelli e seus colegas publicaram um artigo na Nature Astronomy baseado em estudos do protoplaneta Vesta que sugeria como os planetesimais explicariam a configuração atual do sistema solar. O estudo sugere que um anel de planetesimais orbitou o Sol na localização atual da Terra. Com o tempo, esse anel formou dois grandes planetas – Terra e Vênus – em direção ao meio do anel, com dois mundos menores – Marte e Mercúrio – nos flancos.
Outros, no entanto, continuam a investigar maneiras pelas quais seixos podem dar origem a planetas terrestres. Em fevereiro, Johansen e colegas descreveram como nosso próprio sistema solar poderia ter se formado dessa maneira. Então, no mês passado, Drkowska e seus colegas usaram o acréscimo de seixos para explicar por que as superterras são relativamente incomuns em torno de outras estrelas semelhantes ao sol.
Em um workshop no Castelo de Ringberg, na Alemanha, no mês passado, o debate fluiu livremente. Alguns, como Johansen e Lambrechts, permanecem muito a favor de um modelo de acreção de seixos para planetas terrestres. “Há evidências muito fortes de que este é o processo dominante”, disse Johansen. Outros estão menos convencidos. “Acho que a acumulação de seixos é um processo muito importante para entender a formação de planetas, mas não acho que seja o processo que construiu os planetas terrestres em nosso sistema solar”, disse Thorsten Kleine, cientista planetário da Universidade de Münster, na Alemanha. Os dois processos também poderiam ter funcionado em conjunto, com o acúmulo de seixos criando planetesimais que então se fundiram depois que Júpiter cortou o fluxo de seixos que chegavam.
Alguns esperam que o estudo da cosmoquímica, o estudo das composições de objetos cósmicos, possa revelar a resposta. Johansen apontou que, se o modelo de acreção planetesimal estivesse correto, esperaríamos encontrar asteróides de composição semelhante à da Terra, visto que eram provavelmente os blocos de construção de nosso mundo. Este ainda não é o caso. “Acho que é uma limitação do modelo clássico, porque eles não foram capazes de encontrar um”, disse ele. “Na verdade, não há meteoritos que se pareçam com a Terra.”
Se a Terra se formou via acréscimo de seixos, no entanto, poderíamos esperar ver uma “abundância muito maior” de elementos voláteis como nitrogênio e carbono na Terra, fornecidos por seixos vindos do sistema solar externo, disse Conel Alexander, cosmoquímico do Carnegie Institution for Science in Washington, DC “Nós simplesmente não vemos isso”, disse ele. Cientistas como Alexander esperam que a combinação de novas idéias de cosmoquímica com a modelagem do início do sistema solar possa fornecer algumas respostas úteis. “Tanto os modeladores quanto os cosmoquímicos têm um pouco de trabalho a fazer”, disse ele.
Em outros lugares, estudos contínuos de sistemas exoplanetários podem revelar mais informações. Já mais de 5.000 discos protoplanetários foram observados pelo ALMA, disse Pinilla, desde discos muito novos, com menos de 1 milhão de anos, até discos de até 30 milhões de anos. Em uma ocasião, vimos até um planeta gigante, um mundo chamado PDS 70b, nascer dentro de tal disco, com mais visões esperadas no futuro. Alguns discos mostram o brilho da poeira, indicando a possível presença de planetesimais em colisão – embora a quantidade não esteja clara. As próximas observações do Telescópio Espacial James Webb (JWST), com lançamento previsto para dezembro, juntamente com o trabalho do ALMA, podem fornecer pistas adicionais inestimáveis. “Se trouxermos traços químicos do JWST e a distribuição de seixos do ALMA, podemos ter algumas dicas de quais tipos de planetas podem se formar nas partes internas dos discos”, disse Pinilla.
Muito permanece incerto. A questão principal agora é: nosso planeta foi o resultado de repetidas colisões entre enormes corpos semelhantes a asteróides ou estamos no topo de um mundo feito de trilhões e trilhões de pedrinhas cósmicas minúsculas, talvez ricas em gelo? Resolver essa questão fundamental fornecerá uma janela não apenas para o nosso próprio passado, mas para mundos semelhantes à Terra em todos os lugares.
Publicado em 04/11/2021 15h48
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