As perspectivas de vida em um determinado planeta dependem não apenas de onde ele se forma, mas também de como, de acordo com cientistas da Rice University.
Planetas como a Terra que orbitam dentro da zona Cachinhos Dourados do sistema solar, com condições que sustentam água líquida e uma atmosfera rica, têm maior probabilidade de abrigar vida. Acontece que a forma como esse planeta se formou também determina se ele capturou e reteve certos elementos e compostos voláteis, incluindo nitrogênio, carbono e água, que dão origem à vida.
Em um estudo publicado na Nature Geoscience, o estudante de graduação de Rice e principal autor Damanveer Grewal e o professor Rajdeep Dasgupta mostram a competição entre o tempo que leva para o material se agregar em um protoplaneta e o tempo que o protoplaneta leva para se separar em suas camadas distintas – um núcleo metálico, uma concha de manto de silicato e um envelope atmosférico em um processo chamado diferenciação planetária – é fundamental para determinar quais elementos voláteis o planeta rochoso retém.
Usando o nitrogênio como substituto para os voláteis, os pesquisadores mostraram que a maior parte do nitrogênio escapa para a atmosfera dos protoplanetas durante a diferenciação. Esse nitrogênio é subsequentemente perdido para o espaço quando o protoplaneta esfria ou colide com outros protoplanetas ou corpos cósmicos durante o próximo estágio de seu crescimento.
Esse processo esgota o nitrogênio da atmosfera e do manto dos planetas rochosos, mas se o núcleo metálico retiver o suficiente, ainda poderá ser uma fonte significativa de nitrogênio durante a formação de planetas semelhantes à Terra.
O laboratório de alta pressão de Dasgupta em Rice capturou a diferenciação protoplanetária em ação para mostrar a afinidade do nitrogênio com os núcleos metálicos.
“Simulamos condições de alta pressão-temperatura submetendo uma mistura de metal contendo nitrogênio e pós de silicato a quase 30.000 vezes a pressão atmosférica e aquecendo-os além de seus pontos de fusão”, disse Grewal. “Pequenas bolhas metálicas embutidas nos vidros de silicato das amostras recuperadas eram os respectivos análogos dos núcleos e mantos protoplanetários.”
Usando esses dados experimentais, os pesquisadores modelaram as relações termodinâmicas para mostrar como o nitrogênio se distribui entre a atmosfera, o silicato fundido e o núcleo.
“Percebemos que o fracionamento do nitrogênio entre todos esses reservatórios é muito sensível ao tamanho do corpo”, disse Grewal. “Usando essa ideia, poderíamos calcular como o nitrogênio teria se separado entre diferentes reservatórios de corpos protoplanetários ao longo do tempo para finalmente construir um planeta habitável como a Terra.”
Sua teoria sugere que a matéria-prima para a Terra cresceu rapidamente para embriões planetários do tamanho da Lua e de Marte antes de completarem o processo de diferenciação no familiar arranjo de vapor de metal-silicato-gás.
Em geral, eles estimam que os embriões se formaram em 1 a 2 milhões de anos após o início do sistema solar, muito antes do tempo que levaram para se diferenciarem completamente. Se a taxa de diferenciação fosse mais rápida do que a taxa de acréscimo desses embriões, os planetas rochosos que se formavam a partir deles não poderiam ter adicionado nitrogênio suficiente, e provavelmente outros voláteis, essenciais para o desenvolvimento das condições que sustentam a vida.
“Nossos cálculos mostram que formar um planeta do tamanho da Terra por meio de embriões planetários que cresceram extremamente rápido antes de sofrer a diferenciação de silicato de metal estabelece um caminho único para satisfazer o orçamento de nitrogênio da Terra”, disse Dasgupta, o principal investigador da CLEVER Planets, uma colaboração financiada pela NASA projeto que explora como elementos essenciais à vida podem ter se reunido em planetas rochosos em nosso sistema solar ou em exoplanetas rochosos distantes.
“Este trabalho mostra que há uma afinidade muito maior do nitrogênio com o líquido metálico formador do núcleo do que se pensava”, disse ele.
O estudo segue trabalhos anteriores, um mostrando como o impacto de um corpo em formação de lua poderia ter dado à Terra muito de seu conteúdo volátil, e outro sugerindo que o planeta ganhou mais nitrogênio de fontes locais no sistema solar do que se acreditava.
No último estudo, Grewal disse: “Mostramos que os protoplanetas que crescem nas regiões internas e externas do sistema solar agregam nitrogênio, e a Terra obtém seu nitrogênio por acréscimo de protoplanetas de ambas as regiões. No entanto, não se sabia como o o orçamento de nitrogênio da Terra foi estabelecido. ”
“Estamos fazendo uma grande afirmação que vai além do tópico da origem dos elementos voláteis e nitrogênio, e terá impacto sobre uma seção transversal da comunidade científica interessada na formação e crescimento do planeta”, disse Dasgupta.
O estagiário de graduação da Rice Taylor Hough e a estagiária de pesquisa Alexandra Farnell, então estudante na St. John’s School em Houston e agora graduando no Dartmouth College, são co-autores do estudo.
Subsídios da NASA, incluindo um através do programa FINESST, e uma bolsa Lodieska Stockbridge Vaughn Fellowship em Rice apoiaram a pesquisa.
Publicado em 13/05/2021 22h33
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