Como os planetas se formam e controlam os elementos essenciais para a vida

Planetas semelhantes à Terra com nitrogênio podem ser formados se sua matéria-prima crescer rapidamente até chegar a embriões planetários do tamanho da Lua e de Marte antes de se separar em atmosfera de núcleo-manto-crosta, de acordo com cientistas da Rice University. Se a diferenciação de silicato de metal é mais rápida do que o crescimento de corpos do tamanho de embriões planetários, então os reservatórios sólidos deixam de reter muito nitrogênio e os planetas que crescem a partir dessa matéria-prima tornam-se extremamente pobres em nitrogênio. CREDIT Ilustração por Amrita P. Vyas / Rice University

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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