Além do nosso sistema solar, visível apenas como o menor ponto no espaço, mesmo com os telescópios mais poderosos, existem outros mundos. Muitos desses mundos, descobriram os astrônomos, podem ser muito maiores que a Terra e completamente cobertos de água – basicamente planetas oceânicos sem massas de terra salientes. Que tipo de vida poderia se desenvolver nesse mundo? Um habitat como esse poderia sustentar a vida?
Uma equipe de pesquisadores liderada pela Arizona State University (ASU) recentemente se propôs a investigar essas questões. E como não podiam viajar para exoplanetas distantes para coletar amostras, decidiram recriar as condições desses mundos aquáticos em laboratório. Nesse caso, esse laboratório era a Advanced Photon Source (APS), um Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional de Argonne do DOE.
“As pessoas dificilmente pensam em astrofísica quando falam sobre uma instalação de raios-X. Mas podemos usar uma instalação como a APS para entender um objeto distante demais para ser visto”. – Dan Shim, professor associado, Arizona State University
O que eles descobriram – publicado recentemente em Proceedings da Academia Nacional de Ciências – foi uma nova fase de transição entre sílica e água, indicando que o limite entre água e rocha nesses exoplanetas não é tão sólido quanto é aqui na Terra. Essa descoberta crucial pode mudar a maneira como astrônomos e astrofísicos modelam esses exoplanetas e informar a maneira como pensamos sobre a vida evoluindo neles.
Dan Shim, professor associado da ASU, liderou esta nova pesquisa. Shim lidera o Laboratório de Materiais Terrestres e Planetários da ASU e há muito tempo é fascinado pela composição geológica e ecológica desses mundos distantes. Essa composição, disse ele, não é nada como qualquer planeta em nosso sistema solar – esses planetas podem ter mais de 50% de água ou gelo sobre suas camadas rochosas, e essas camadas rochosas teriam que existir a temperaturas muito altas e sob pressão esmagadora.
“Determinar a geologia dos exoplanetas é difícil, já que não podemos usar telescópios ou enviar veículos para suas superfícies”, disse Shim. “Então tentamos simular a geologia no laboratório”.
Como é que alguém faz isso? Primeiro, você precisa das ferramentas certas. Para esse experimento, Shim e sua equipe trouxeram suas amostras para duas linhas de luz da APS: GeoSoilEnviroCARS (GSECARS) na linha de luz 13-ID-D, operada pela Universidade de Chicago, e High-Pressure Collaborative Access Team (HPCAT) na linha de luz 16-ID -B, operado pela Divisão de Ciência de Raios-X de Argonne.
As amostras foram compactadas em células de bigorna de diamante, essencialmente dois diamantes de qualidade de gema com pequenas pontas planas. Coloque uma amostra entre eles e poderá espremer os diamantes, aumentando a pressão.
“Podemos aumentar a pressão para vários milhões de atmosferas”, disse Yue Meng, físico da Divisão de Ciência de Raios-X de Argonne e co-autor do artigo. Meng foi um dos principais projetistas das técnicas utilizadas no HPCAT, especializado em experimentos de alta pressão e alta temperatura.
“A APS é um dos poucos lugares do mundo onde você pode realizar esse tipo de pesquisa de ponta”, disse ela. “Os cientistas, técnicos e engenheiros da linha de luz tornam essa pesquisa possível”.
Shim disse que a pressão dos exoplanetas pode ser calculada, embora os dados que temos sobre esses planetas sejam limitados. Os astrônomos podem medir a massa e a densidade e, se o tamanho e a massa do planeta forem conhecidos, a pressão certa poderá ser determinada.
Depois que a amostra é pressurizada, lasers infravermelhos – que podem ser ajustados para menores que a largura de uma célula sanguínea humana – são usados para aquecê-la. “Podemos levar a amostra a milhares de graus Fahrenheit”, disse Vitali Prakapenka, cientista da linha de luz do GSECARS, professor de pesquisa da Universidade de Chicago e co-autor do artigo. “Temos dois lasers de alta potência que brilham na amostra de ambos os lados, alinhados com precisão com uma sonda de raios-X APS ultra-brilhante e medições de temperatura ao longo dos caminhos ópticos com uma precisão de submícron.”
A temperatura dos exoplanetas é mais difícil de medir, porque existem muitos fatores que a determinam: a quantidade de calor contida no planeta, a idade do planeta e a quantidade de isótopos radioativos em decomposição no interior da estrutura, liberando mais calor. A equipe de Shim calculou uma variedade de temperaturas para trabalhar.
Depois que a amostra é pressurizada e aquecida, os raios ultra-brilhantes da APS (que podem ver através dos diamantes e na própria amostra) podem permitir que os cientistas tirem fotos das mudanças na estrutura da escala atômica durante as reações químicas à medida que ocorrem . Nesse caso, Shim e sua equipe imergiram uma pequena quantidade de sílica na água, aumentaram a pressão e a temperatura e monitoraram como os materiais reagiriam.
O que eles descobriram é que, a alta temperatura e pressão de cerca de 30 gigapascais (cerca de 300.000 vezes a pressão atmosférica padrão na Terra), a água e a rocha começam a se fundir.
“Se você construísse um planeta com água e rocha, assumiria que a água forma uma camada acima da rocha”, disse ele. “O que descobrimos é que isso não é necessariamente verdade. Com calor e pressão suficientes, a fronteira entre rocha e água fica confusa”.
Essa é uma nova idéia que precisará ser incorporada aos modelos de exoplanetas, disse Prakapenka.
“O ponto principal é que ele diz às pessoas que modelam a estrutura desses planetas que a composição é mais complicada do que pensávamos”, disse Prakapenka. “Antes de acreditarmos que havia uma separação entre rocha e água, mas com base nesses estudos, não há limites nítidos”.
Os cientistas já haviam realizado experiências semelhantes antes, disse Shim, mas essas foram baseadas em um cenário semelhante à Terra, com pequenos incrementos de água. Observar essa nova transição de fase dá aos modeladores uma idéia melhor sobre a composição geológica real dos exoplanetas ricos em água e também insights sobre que tipos de vida podem chamar esses exoplanetas de lar.
“É um ponto de partida para construir a maneira como a química funciona nesses planetas”, disse Shim. “Como a água interage com as rochas é importante para a vida na Terra e, portanto, também é importante entender o tipo de vida que pode estar em alguns desses mundos”.
Shim reconhece que essa pesquisa não é a primeira coisa que se pode imaginar ao pensar em uma fonte de luz como a APS. Mas é exatamente essa diversidade que ele disse ser uma vantagem das instalações de usuários em larga escala.
“As pessoas dificilmente pensam em astrofísica quando falam sobre uma instalação de raios-X”, disse ele. “Mas podemos usar uma instalação como a APS para entender um objeto distante demais para ser visto”.
Astrobiologia
Este trabalho é financiado por doações da National Science Foundation (NSF), da National Aeronáutica e Space Administration (NASA) e da Keck Foundation.
Sobre a fonte avançada de fótons
A Fonte Avançada de Fótons (APS) do Departamento de Energia do Departamento de Energia dos EUA, no Laboratório Nacional de Argonne, é uma das instalações de fonte de luz de raios-X mais produtivas do mundo. O APS fornece feixes de raios X de alto brilho a uma comunidade diversificada de pesquisadores em ciência dos materiais, química, física da matéria condensada, ciências da vida e ambientais e pesquisa aplicada. Esses raios-X são ideais para explorações de materiais e estruturas biológicas; distribuição elementar; estados químicos, magnéticos e eletrônicos; e uma ampla gama de sistemas de engenharia tecnologicamente importantes, desde baterias a sprays de injetores de combustível, todos os quais são as bases do bem-estar econômico, tecnológico e físico de nosso país. A cada ano, mais de 5.000 pesquisadores usam o APS para produzir mais de 2.000 publicações detalhando descobertas impactantes e resolver estruturas de proteínas biológicas mais vitais do que os usuários de qualquer outra instalação de pesquisa de fontes de luz de raios-X. Os cientistas e engenheiros da APS inovam a tecnologia que está no coração do avanço das operações de aceleradores e fontes de luz. Isso inclui os dispositivos de inserção que produzem raios X de brilho extremo, valorizados pelos pesquisadores, lentes que focalizam os raios X em alguns nanômetros, instrumentação que maximiza a maneira como os raios X interagem com as amostras em estudo e software que reúne e gerencia a enorme quantidade de dados resultantes da pesquisa de descoberta na APS.
O Laboratório Nacional de Argonne busca soluções para problemas prementes nacionais em ciência e tecnologia. Primeiro laboratório nacional do país, Argonne conduz pesquisas científicas básicas e aplicadas de ponta em praticamente todas as disciplinas científicas. Os pesquisadores de Argonne trabalham em estreita colaboração com pesquisadores de centenas de empresas, universidades e agências federais, estaduais e municipais para ajudá-los a resolver seus problemas específicos, avançar a liderança científica da América e preparar a nação para um futuro melhor. Com funcionários de mais de 60 países, Argonne é gerenciada pela UChicago Argonne, LLC para o Departamento de Energia do Departamento de Energia dos EUA.
Publicado em 25/06/2020 22h00
Artigo original:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: