A quantidade de elementos radioativos de vida longa incorporados em um planeta rochoso conforme ele se forma pode ser um fator crucial para determinar sua habitabilidade futura, de acordo com um novo estudo realizado por uma equipe interdisciplinar de cientistas da UC Santa Cruz.
Isso porque o aquecimento interno da decadência radioativa dos elementos pesados tório e urânio impulsiona as placas tectônicas e pode ser necessário para o planeta gerar um campo magnético. O campo magnético da Terra protege o planeta dos ventos solares e dos raios cósmicos.
A convecção no núcleo metálico derretido da Terra cria um dínamo interno (o “geodinamo”) que gera o campo magnético do planeta. O suprimento de elementos radioativos da Terra fornece aquecimento interno mais do que suficiente para gerar um geodinamo persistente, de acordo com Francis Nimmo, professor de Ciências da Terra e planetárias na UC Santa Cruz e primeiro autor de um artigo sobre as novas descobertas, publicado em 10 de novembro no Astrophysical Journal Letters .
“O que percebemos foi que diferentes planetas acumulam diferentes quantidades desses elementos radioativos que, em última instância, alimentam a atividade geológica e o campo magnético”, explicou Nimmo. “Então pegamos um modelo da Terra e ajustamos a quantidade de produção interna de calor radiogênico para cima e para baixo para ver o que acontece.”
O que eles descobriram é que, se o aquecimento radiogênico for maior do que o da Terra, o planeta não poderá sustentar permanentemente um dínamo, como a Terra fez. Isso ocorre porque a maior parte do tório e do urânio vão para o manto, e o excesso de calor no manto atua como um isolante, evitando que o núcleo fundido perca calor rápido o suficiente para gerar os movimentos convectivos que produzem o campo magnético.
Com um aquecimento interno mais radiogênico, o planeta também tem muito mais atividade vulcânica, o que poderia produzir eventos de extinção em massa frequentes. Por outro lado, muito pouco calor radioativo resulta em nenhum vulcanismo e em um planeta geologicamente “morto”.
“Apenas mudando essa variável, você varre esses diferentes cenários, de geologicamente morto a terrestre a extremamente vulcânico sem dínamo”, disse Nimmo, acrescentando que essas descobertas justificam estudos mais detalhados.
“Agora que vemos as implicações importantes de variar a quantidade de aquecimento radiogênico, o modelo simplificado que usamos deve ser verificado por cálculos mais detalhados”, disse ele.
Habitabilidade
Um dínamo planetário está vinculado à habitabilidade de várias maneiras, de acordo com Natalie Batalha, professora de astronomia e astrofísica cuja Iniciativa de Astrobiologia na UC Santa Cruz gerou a colaboração interdisciplinar que deu origem a este artigo.
?Há muito se especula que o aquecimento interno impulsiona as placas tectônicas, que criam um ciclo do carbono e uma atividade geológica como o vulcanismo, que produz uma atmosfera?, explicou Batalha. “E a capacidade de reter uma atmosfera está relacionada ao campo magnético, que também é impulsionado pelo aquecimento interno.”
O co-autor Joel Primack, professor emérito de física, explicou que os ventos estelares, que são fluxos rápidos de material ejetado das estrelas, podem erodir continuamente a atmosfera de um planeta se ele não tiver campo magnético.
“A falta de um campo magnético é aparentemente parte da razão, junto com sua gravidade mais baixa, porque Marte tem uma atmosfera muito fina”, disse ele. “Ela costumava ter uma atmosfera mais densa e por um tempo teve água de superfície. Sem a proteção de um campo magnético, muito mais radiação passa e a superfície do planeta também se torna menos habitável.”
Primack observou que os elementos pesados cruciais para o aquecimento radiogênico são criados durante a fusão de estrelas de nêutrons, que são eventos extremamente raros. A criação desses elementos chamados r-process durante as fusões de estrelas de nêutrons tem sido um foco de pesquisa do co-autor Enrico Ramirez-Ruiz, professor de astronomia e astrofísica.
“Esperaríamos uma variabilidade considerável nas quantidades desses elementos incorporados em estrelas e planetas, porque depende de quão próxima a matéria que os formou estava de onde esses eventos raros ocorreram na galáxia”, disse Primack.
Os astrônomos podem usar a espectroscopia para medir a abundância de diferentes elementos nas estrelas, e espera-se que as composições dos planetas sejam semelhantes às das estrelas que orbitam. O európio elemento terra rara, que é prontamente observado em espectros estelares, é criado pelo mesmo processo que faz os dois elementos radioativos de vida mais longa, tório e urânio, então európio pode ser usado como um traçador para estudar a variabilidade desses elementos em estrelas e planetas de nossa galáxia.
Alcance natural
Astrônomos obtiveram medições de európio para muitas estrelas em nossa vizinhança galáctica. Nimmo foi capaz de usar essas medições para estabelecer uma gama natural de dados para seus modelos de aquecimento radiogênico. A composição do sol está no meio dessa faixa. De acordo com Primack, muitas estrelas têm metade do európio do que o sol em comparação com o magnésio, e muitas estrelas têm até duas vezes mais que o sol.
A importância e variabilidade do aquecimento radiogênico abre muitas novas questões para os astrobiólogos, disse Batalha.
“É uma história complexa, porque ambos os extremos têm implicações para a habitabilidade. Você precisa de aquecimento radiogênico suficiente para sustentar as placas tectônicas, mas não tanto a ponto de desligar o dínamo magnético”, disse ela. “No final das contas, estamos procurando as moradas mais prováveis da vida. A abundância de urânio e tório parecem ser fatores-chave, possivelmente até outra dimensão para definir um planeta Goldilocks.”
Usando medições de európio de suas estrelas para identificar sistemas planetários com diferentes quantidades de elementos radiogênicos, os astrônomos podem começar a procurar por diferenças entre os planetas nesses sistemas, disse Nimmo, especialmente depois que o Telescópio Espacial James Webb for implantado. “O Telescópio Espacial James Webb será uma ferramenta poderosa para a caracterização de atmosferas de exoplanetas”, disse ele.
Além de Nimmo, Primack e Ramirez-Ruiz, os co-autores do artigo incluem Sandra Faber, professora emérita de astronomia e astrofísica, e pós-doutorado Mohammadtaher Safarzadeh.
Publicado em 10/11/2020 21h58
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