Em 13 de dezembro de 1972, o astronauta da Apollo 17, Harrison Schmitt, caminhou até um pedregulho no Mar da Serenidade da lua. “Este pedregulho tem sua própria trilha, descendo a colina”, ele chamou seu comandante, Eugene Cernan, apontando a marca que a pedra deixava quando rolou montanha abaixo. Cernan saltou para recolher algumas amostras.
“Pense como teria sido se você estivesse lá antes que a pedra passasse”, Cernan meditou.
“Eu prefiro não pensar sobre isso”, disse Schmitt.
Os astronautas retiraram pedaços de pedra na Lua. Então, usando um ancinho, Schmitt raspou a superfície pulverulenta, levantando uma pedra mais tarde denominada troctolita 76536 do regolito e entrando na história.
Essa rocha e seus irmãos pedregulhos iriam contar uma história de como a lua inteira veio a existir. Neste conto de criação, inscrito em incontáveis ??livros didáticos e exposições de museus de ciência nas últimas quatro décadas, a Lua foi forjada em uma colisão calamitosa entre uma Terra embrionária e um mundo rochoso do tamanho de Marte. Este outro mundo foi chamado Theia, para a deusa grega que deu origem a Selene, a lua. Theia espancou a Terra com tanta força e rapidez que os mundos se fundiram. Eventualmente, sobras de detritos de Theia esfriaram e solidificaram no companheiro prateado que temos hoje.
Mas as medidas modernas do troctolito 76536 e outras rochas da lua e de Marte lançaram dúvidas sobre essa história. Nos últimos cinco anos, um bombardeio de estudos expôs um problema: a hipótese do impacto gigante canônico baseia-se em suposições que não correspondem à evidência. Se Theia atingiu a Terra e depois formou a lua, a lua deveria ser feita de material do tipo Theia. Mas a lua não se parece com Theia – ou como Marte, para esse assunto. Abaixo de seus átomos, parece quase exatamente como a Terra.
Confrontados com essa discrepância, os pesquisadores lunares buscaram novas ideias para entender como a lua surgiu. A solução mais óbvia também pode ser a mais simples, embora crie outros desafios com a compreensão do sistema solar inicial: talvez Theia realmente tenha formado a lua, mas Theia era feita de material que era quase idêntico à Terra. A segunda possibilidade é que o processo de impacto misture tudo, homogeneizando aglomerados e líquidos díspares da mesma maneira que a massa de panqueca se junta. Isso poderia ter ocorrido em um impacto extraordinariamente alto, ou em uma série de impactos que produziram uma série de luas que depois foram combinadas. A terceira explicação desafia o que sabemos sobre os planetas. É possível que a Terra e a Lua tenham sofrido hoje estranhas metamorfoses e danças orbitais selvagens que mudaram drasticamente suas rotações e seus futuros.
Péssimas Notícias para Theia
Para entender o que pode ter acontecido no dia mais importante da Terra, ajuda a entender a juventude do sistema solar. Quatro e meio bilhões de anos atrás, o sol estava cercado por uma nuvem quente de detritos em forma de rosquinha. Elementos de estrelas forjadas giravam em torno de nosso sol recém-nascido, esfriando e, após séculos, combinando – em um processo que não compreendemos completamente – em aglomerados, em planetesimais e em planetas cada vez maiores. Esses corpos rochosos violentamente colidiam e se vaporizavam novamente. Foi nesse cenário infernal e brutal que a Terra e a Lua foram forjadas.
Para chegar à Lua que temos agora, com seu tamanho, rotação e a velocidade com que ela está se afastando da Terra, nossos melhores modelos de computador dizem que o que colidiu com a Terra deve ter sido do tamanho de Marte. Qualquer coisa maior ou muito menor produziria um sistema com um momento angular muito maior do que o que vemos. Um projétil maior também lançaria muito ferro na órbita da Terra, criando uma lua mais rica em ferro do que a que temos hoje.
O momento angular é uma quantidade que descreve o movimento e a massa de um objeto em rotação ou um sistema de objetos em rotação: a Terra girando, a lua girando girando em torno da Terra girando e assim por diante. O momento angular é sempre conservado, o que significa que só pode ser ganho ou perdido se alguma outra coisa se envolver em uma influência externa.
Os primeiros estudos geoquímicos do troctolito 76536 e outras rochas reforçaram essa história. Eles mostraram que as rochas lunares teriam se originado em um oceano de magma lunar, o qual só poderia ser gerado por um impacto gigante. O troctolito teria flutuado em um mar derretido como um iceberg flutuando na Antártida. Com base nessas restrições físicas, os cientistas argumentam que a lua foi feita a partir dos remanescentes de Theia. Mas há um problema…
De volta ao sistema solar inicial. Conforme os mundos rochosos colidiam e vaporizavam, seus conteúdos se misturavam, eventualmente se estabelecendo em regiões distintas. Mais perto do sol, onde era mais quente, os elementos mais leves teriam mais chance de aquecer e escapar, deixando um excesso de isótopos pesados ??(variantes de elementos com nêutrons adicionais). Mais longe do sol, as rochas eram capazes de manter mais água e os isótopos mais leves persistiam. Por causa disso, um cientista pode examinar a mistura isotópica de um objeto para identificar de onde veio no sistema solar, como a fala acentuada que revela a pátria de uma pessoa.
Essas diferenças são tão pronunciadas que são usadas para classificar planetas e tipos de meteoritos. Marte é tão quimicamente distinto da Terra, por exemplo, que seus meteoritos podem ser identificados simplesmente medindo proporções de três diferentes isótopos de oxigênio.
Em 2001, usando técnicas avançadas de espectrometria de massa, pesquisadores suíços mediram novamente o troctolito 76536 e outras 30 amostras lunares. Eles descobriram que seus isótopos de oxigênio eram indistinguíveis daqueles na Terra. Desde então, os geoquímicos estudaram o titânio, o tungstênio, o cromo, o rubídio, o potássio e outros metais obscuros da Terra e da Lua, e tudo parece praticamente o mesmo.
Isso é uma má notícia para Theia. Se Marte é tão obviamente diferente da Terra, Theia – e, portanto, a Lua – deveria ser diferente também. Se eles são iguais, isso significa que a lua deve ter se formado a partir de pedaços derretidos da Terra. As rochas da Apollo estão, então, em conflito direto com o que a física insiste que deve ser verdade.
“O modelo canônico está em crise séria”, disse Sarah Stewart, cientista planetária da Universidade da Califórnia, em Davis. “Ainda não foi morto, mas seu status atual é que não funciona.”
Uma lua fora do vapor
Stewart tem tentado reconciliar as restrições físicas do problema – a necessidade de um impactor de um certo tamanho, indo a uma certa velocidade – com a nova evidência geoquímica. Em 2012, ela e Matija ?uk, agora no Instituto SETI, propuseram um novo modelo físico para a formação da lua. Eles argumentaram que a Terra primitiva era um dervixe rodopiante, girando um dia a cada duas ou três horas, quando Theia colidia com ela. A colisão produziria um disco ao redor da Terra, muito parecido com os anéis de Saturno – mas só persistiria por cerca de 24 horas. Por fim, esse disco esfriaria e solidificaria para formar a lua.
Os supercomputadores não são poderosos o suficiente para modelar esse processo completamente, mas mostraram que um projétil batendo em um mundo tão rápido poderia arrancar o suficiente da Terra, destruir o suficiente de Theia e embaralhar o suficiente para construir uma lua e a Terra com isotópicos semelhantes. Pense em atirar um pedaço molhado de argila em uma roda de oleiro de giro rápido.
Para a explicação rápida da Terra estar correta, no entanto, algo mais teria que vir para desacelerar a taxa de rotação da Terra para o que ela é agora. Em seu trabalho de 2012, Stewart e Cuk argumentaram que, sob certas interações de ressonância orbital, a Terra poderia ter transferido momento angular para o sol. Mais tarde, Jack Wisdom, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, sugeriu vários cenários alternativos para drenar o momento angular para longe do sistema Terra-Lua.
Mas nenhuma das explicações foi totalmente satisfatória. Os modelos de 2012 ainda não conseguiram explicar a órbita da lua ou a química da lua, disse Stewart. Então, no ano passado, Simon Lock, um estudante de pós-graduação da Universidade de Harvard e estudante de Stewart na época, surgiu com um modelo atualizado que propõe uma estrutura planetária anteriormente não reconhecida.
Nesta história, cada pedaço de Terra e Theia vaporizou e formou uma nuvem inchada e inchada em forma de um grosso bagel. A nuvem girou tão rapidamente que atingiu um ponto chamado limite de co-rotação. Na borda externa da nuvem, a rocha vaporizada circulava tão rápido que a nuvem assumiu uma nova estrutura, com um disco gordo circulando uma região interna. Crucialmente, o disco não foi separado da região central da mesma forma que os anéis de Saturno – nem a forma como os modelos anteriores de formação da lua de impacto gigante foram, também.
As condições nessa estrutura são indescritivelmente infernais; não há superfície, mas nuvens de rocha derretida, com cada região da nuvem formando gotas de rocha derretida. A lua cresceu dentro desse vapor, disse Lock, antes que o vapor finalmente esfriasse e deixasse em seu rastro o sistema Terra-Lua.
Dadas as características incomuns da estrutura, Lock e Stewart acharam que merecia um novo nome. Eles tentaram várias versões antes de cunhar sinestia, que usa o prefixo grego syn-, significando juntos, e a deusa Hestia, que representa a casa, a lareira e a arquitetura. A palavra significa “estrutura conectada”, disse Stewart.
“Esses corpos não são o que você pensa que são. Eles não se parecem com o que você acha que eles fizeram “, disse ela.
Em maio de 2017, Lock e Stewart publicaram um artigo sobre a física das sinestias; seu artigo defendendo uma origem lunar de sinestia ainda está em revisão. Eles apresentaram o trabalho em conferências científicas planetárias no inverno e na primavera e dizem que seus colegas pesquisadores ficaram intrigados, mas dificilmente venderam a ideia. Isso pode ser porque as sinestias ainda são apenas uma ideia; Ao contrário dos planetas com anéis, que são comuns em nosso sistema solar, e dos discos protoplanetários, que são comuns em todo o universo, ninguém jamais viu um.
“Mas este é certamente um caminho interessante que poderia explicar as características da nossa lua e nos levar a essa corcunda em que estamos, onde temos esse modelo que parece não funcionar“, disse Lock.
Deixe uma dúzia de flores da lua
Entre os satélites naturais do sistema solar, a Lua da Terra pode ser mais marcante pela sua solidão. Mercúrio e Vênus não têm satélites naturais, em parte devido à proximidade do Sol, cujas interações gravitacionais tornariam instáveis ??as órbitas de suas luas. Marte tem minúsculos Phobos e Deimos, que alguns argumentam serem asteróides capturados e outros argumentam que se formaram a partir de impactos marcianos. E os gigantes gasosos são chockablock com luas, algumas rochosas, outras aguadas, outras tanto.
Em contraste com essas luas, o satélite da Terra também se destaca por seu tamanho e pelo fardo físico que carrega. A lua é cerca de 1% da massa da Terra, enquanto a massa combinada dos satélites dos planetas exteriores é menos de um décimo de 1% de seus pais. Ainda mais importante, a lua contém 80% do momento angular do sistema Terra-Lua. Isto é, a lua é responsável por 80% do movimento do sistema como um todo. Para os planetas externos, esse valor é menor que 1%.
A lua pode não ter carregado todo esse peso o tempo todo. O rosto da lua testemunha seu bombardeio ao longo da vida; Por que devemos assumir que apenas uma rocha foi responsável por esculpir a Terra? É possível que múltiplos impactos tenham feito a lua, disse Raluca Rufu, cientista planetária do Instituto Weizmann de Ciência em Rehovot, Israel.
Em um artigo publicado no último inverno, ela argumentou que a lua da Terra não é a lua original. É, em vez disso, um compêndio de criação com mil cortes – ou pelo menos uma dúzia, de acordo com suas simulações. Projéteis que chegam de múltiplos ângulos e em múltiplas velocidades atingem a Terra e formam discos, que se aglutinam em “moonlets”, essencialmente migalhas menores que a atual lua da Terra. As interações entre as luas de diferentes idades fazem com que elas se fundam, eventualmente formando a lua que conhecemos hoje.
Os cientistas planetários foram receptivos quando seu trabalho foi publicado no ano passado; Robin Canup, cientista lunar do Southwest Research Institute e reitor das teorias da formação da lua, disse que vale a pena considerar. Mais testes permanecem, no entanto. Rufu não tem certeza se as luas teriam sido trancadas em suas posições orbitais, semelhante a como a Lua da Terra está constantemente voltada para a mesma direção; se assim for, ela não tem certeza de como eles poderiam ter se fundido. “É o que estamos tentando descobrir em seguida”, disse Rufu.
Enquanto isso, outros se voltaram para outra explicação para a similaridade da Terra e da Lua, que pode ter uma resposta muito simples. De sinestias a moonlets, novos modelos físicos – e nova física – podem ser discutíveis. É possível que a lua pareça com a da Terra, porque a própria Theia também.
É tudo a mesma coisa
A lua não é a única coisa parecida com a Terra no sistema solar. Rochas como o troctolito 76536 compartilham uma relação de isótopos de oxigênio com as rochas da Terra, bem como um grupo de asteroides chamados condritos de enstatita. A composição desses isótopos de oxigênio dos asteoóides é muito semelhante à da Terra, disse Myriam Telus, cosmochemist que estuda meteoritos na Carnegie Institution em Washington, DC “Um dos argumentos é que eles se formaram em regiões mais quentes do disco, o que seria mais próximo o sol “, disse ela. Eles provavelmente se formaram perto de onde a Terra surgiu.
Algumas dessas rochas se juntaram para formar a Terra; outros teriam se combinado para formar Theia. Os condratitas enstatitas são os detritos, rochas remanescentes que nunca se combinaram e cresceram o suficiente para formar mantos, núcleos e planetas de pleno direito.
Em janeiro, Nicolas Dauphas, geofísico da Universidade de Chicago, argumentou que a maioria das rochas que se formaram na Terra eram meteoritos do tipo enstatita. Ele argumentou que qualquer coisa formada na mesma região seria feita a partir deles também. A construção do planeta estava ocorrendo usando os mesmos materiais pré-misturados que agora encontramos na Lua e na Terra; eles parecem iguais porque são iguais. “O impactor gigante que formou a lua provavelmente tinha uma composição isotópica semelhante à da Terra”, escreveu Dauphas.
David Stevenson, um cientista planetário do Instituto de Tecnologia da Califórnia que estudou as origens lunares desde que a hipótese Theia foi apresentada pela primeira vez em 1974, disse que considera este documento a contribuição mais importante para o debate no ano passado, dizendo que aborda uma questão geoquímica tem lutado por décadas.
“Ele juntou uma história que é quantitativa; é uma história inteligente sobre como olhar os vários elementos que entram na Terra “, disse Stevenson. “A partir disso, ele pode retratar a sequência particular da formação da Terra e, nessa sequência, os condratitas enstatitas desempenham um papel importante.”
Nem todos estão convencidos, no entanto. Ainda há dúvidas sobre a relação isotópica de elementos como o tungstênio, observa Stewart. O tungstênio-182 é uma filha do háfnio-182, portanto a relação entre o tungstênio e o háfnio age como um relógio, definindo a idade de uma rocha específica. Se uma rocha tem mais tungstênio-182 do que outra, você pode dizer com segurança que a rocha cheia de tungstênio se formou anteriormente. Mas as medições mais precisas disponíveis mostram que as proporções tungstênio-meio-níquel da Terra e da Lua são as mesmas. “Seria preciso coincidências especiais para os dois corpos terminarem com composições correspondentes”, admite Dauphas.
Pistas sobre outros mundos
Entender a lua – nossa companheira constante, nossa irmã prateada, alvo de sonhadores e exploradores desde tempos imemoriais – é uma causa valiosa por si só. Mas sua história de origem e a história de rochas como a troctólita 76536 podem ser apenas um capítulo de um épico muito maior.
“Eu vejo isso como uma janela para uma questão mais geral: o que aconteceu quando os planetas terrestres se formaram?“, Disse Stevenson. “Todo mundo está chegando perto no momento.“
Compreender as sinestias pode ajudar a responder isso; Lock e Stewart argumentam que as sinestias teriam se formado rapidamente no início do sistema solar, enquanto os protoplanetas atacavam um ao outro e derretiam. Muitos corpos rochosos podem ter começado como halos de vapor inchados, então descobrir como as sinestias evoluem poderia ajudar os cientistas a descobrir como a Lua e outros mundos terrestres evoluíram.
Mais amostras da Lua e da Terra também ajudariam, especialmente de cada manto, porque os geoquímicos teriam mais dados para filtrar. Eles seriam capazes de dizer se o oxigênio armazenado nas profundezas da Terra é o mesmo, ou se três isótopos comuns de oxigênio preferencialmente se encontram em diferentes áreas.
“Quando dizemos que a Terra e a Lua estão muito próximas de serem idênticas nos três isótopos de oxigênio, estamos supondo que realmente sabemos o que é a Terra e realmente sabemos o que a lua é”, observa Stevenson.
Novos ajustes nas teorias de origem do sistema solar, que geralmente são baseadas em complexas simulações por computador, também são esclarecedoras onde os planetas nasceram e onde migraram. Os cientistas sugerem cada vez mais que não podemos contar com Marte para contar essa história, porque ela pode ter se formado em uma área diferente do sistema solar que a Terra, os enstatitas e Theia. Stevenson disse que Marte não deveria mais ser usado como um barômetro para planetas rochosos.
Em última análise, os cientistas lunares concordam que as melhores respostas podem ser encontradas em Vênus, o planeta mais parecido com a Terra. Pode ter tido uma lua em sua juventude e a perdeu; pode ser muito parecido com a Terra ou não. “Se conseguirmos um pedaço de rocha de Vênus, podemos responder a essa pergunta [das origens da lua] de maneira muito simples. Mas, infelizmente, isso não está na lista de prioridades de ninguém agora “, disse Lock.
Amostras ausentes de Vênus, e sem laboratórios que possam testar as pressões e temperaturas insondáveis ??no centro de impactos gigantescos, os cientistas lunares terão que continuar planejando novos modelos – e revisando a história da origem da lua.
Publicado em 21/07/2019
Artigo original: https://www.quantamagazine.org/what-made-the-moon-new-ideas-try-to-rescue-a-troubled-theory-20170802/
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