Don Dixon para Astronomia
A passagem periódica da Terra pelo disco da galáxia pode iniciar uma série de eventos que acabam por levar a cataclismos geológicos e extinções em massa.
Os geólogos sonham com uma teoria final? A maioria das pessoas diria que as placas tectônicas já servem como uma ideia abrangente da geologia. A descoberta das placas tectônicas há 50 anos foi uma das grandes conquistas científicas do século 20, mas a teoria está completa? Eu acho que não. A tectônica de placas descreve a geologia atual da Terra em termos da geometria e das interações de suas placas superficiais. Os geólogos podem extrapolar os movimentos das placas tanto para o passado quanto para o futuro, mas ainda não podem derivar o comportamento e a história das placas tectônicas dos primeiros princípios.
Embora os cientistas possam interpretar a história pelas lentes do que vêem hoje, uma questão importante permanece: por que os eventos geológicos – como vulcanismo de hot-spot, ruptura de continentes, flutuações na expansão do fundo do mar, episódios tectônicos e oscilações do nível do mar – ocorrem exatamente quando e onde ocorreram? Eles são aleatórios ou seguem algum tipo de padrão no tempo ou no espaço?
Uma teoria completa da Terra deveria explicar a atividade geológica no domínio espacial, já que as placas tectônicas se saem muito bem no momento (uma vez que você incorpore os pontos quentes), mas também nos domínios do tempo e da frequência. Descobertas recentes sugerem-me que a geologia pode estar no limiar de uma nova teoria que busca explicar a atividade geológica da Terra no tempo e no espaço no contexto de seus arredores astronômicos.
Um grande impacto
A primeira pista para uma conexão cósmica veio em um relatório de 1980 do físico ganhador do Prêmio Nobel Luis Alvarez e seu filho Walter, um geólogo famoso. Trabalhando na Universidade da Califórnia, em Berkeley, os dois sugeriram que a severa extinção em massa da vida no final do período Cretáceo, 66 milhões de anos atrás, foi o resultado de um impacto devastador de um grande asteróide ou cometa. Essa descoberta espetacular foi seguida no início de 1984 com a afirmação notável de Dave Raup e Jack Sepkoski, da Universidade de Chicago, de que os eventos de extinção em massa seguiram um ciclo de 26 milhões de anos.
Impactos periódicos podem causar extinções periódicas? Uma série de crateras de vários tamanhos e idades marcam a localização de impactos anteriores, e as idades estimadas de várias coincidem razoavelmente bem com extinções em massa. Por exemplo, o Prêmio Nobel Harold Urey observou em 1973 que a cratera Popigai de 56 milhas de diâmetro (90 quilômetros) no norte da Sibéria data de cerca de 36 milhões de anos atrás, perto da época do evento de extinção do final do Eoceno.
O especialista em crateras Richard Grieve, do Escritório Canadense de Minas e Energia em Ottawa, compilou originalmente a lista mais completa de crateras de impacto terrestre. (A lista cada vez maior agora é mantida online.) O Banco de Dados de Impacto da Terra atualmente contém cerca de 190 crateras de impacto documentadas e inclui seus tamanhos, localizações e estimativas de suas idades. Essas crateras são apenas um pequeno subconjunto do número real de objetos que colidiram com a Terra. Muitas outras crateras de impacto foram tão severamente erodidas e / ou cobertas por sedimentos que são difíceis de identificar. Além do mais, nenhuma cratera foi encontrada no fundo do oceano, apenas em áreas rasas da plataforma continental. Isso não é surpreendente porque o fundo do oceano é jovem, no máximo apenas cerca de 180 milhões de anos, então deve exibir relativamente poucas crateras. E ninguém sabe exatamente que tipo de estrutura um grande impacto na fina crosta oceânica deixaria para trás.
Muitas das estimativas de idades das crateras são meramente limites grosseiros com base na idade das rochas mais antigas visadas pelo impacto, ou a idade dos primeiros sedimentos que enterram a estrutura de impacto. Mas várias das crateras foram datadas bem o suficiente pelo estudo da decadência dos elementos radioativos do impactador para fazer uma análise estatística rigorosa do momento dos impactos. Em meados da década de 1980, as idades das crateras mais datadas da lista de Grieve foram executadas no computador do Instituto Goddard de Estudos Espaciais da NASA na cidade de Nova York usando um novo método de análise, e o registro da cratera de impacto mostrou uma periodicidade significativa de cerca de 30 milhões de anos.
Ao mesmo tempo, Walter Alvarez e o físico Richard Muller, também da UC Berkeley, fizeram suas próprias análises e encontraram um ciclo de 28 milhões de anos usando um conjunto de crateras um tanto diferente. Outros pesquisadores revisitaram esses resultados ao longo dos anos e eles ainda são controversos. Mas em 2015, meu ex-aluno Ken Caldeira e eu estudamos mais estruturas de impacto com dados aprimorados da idade das crateras e pudemos ser mais específicos. Descobrimos que crateras e extinções parecem ocorrer com o mesmo ciclo de 26 milhões de anos.
Essas análises das idades das crateras me convenceram de que muitos dos impactos eram periódicos. Mesmo assim, questionava-se de onde vinham. Havia duas possibilidades: asteróides que cruzam a Terra originalmente do cinturão de asteróides entre as órbitas de Marte e Júpiter, ou cometas gelados da distante Nuvem de Oort que cerca o Sol. Duvidamos que asteróides pudessem ter atingido a Terra em ciclos regulares. Isso deixou os cometas da Nuvem de Oort, cujo número está na casa dos trilhões. No início da década de 1980, o astrônomo Jack Hills do Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, calculou que uma estrela que passasse poderia induzir perturbações gravitacionais que sacudiriam os cometas da Nuvem de Oort na borda do sistema solar. Isso faria com que um grande número desses corpos gelados caíssem no sistema solar interno, produzindo uma chuva de cometas, onde alguns poderiam atingir a Terra. Hills chegou a sugerir que tal chuva de cometas poderia ter causado a morte dos dinossauros. Mas se as chuvas de cometas fossem as culpadas, por que mostrariam um ciclo de 26 milhões a 30 milhões de anos?
Uma conexão galáctica
Pareceu natural pesquisar quaisquer ciclos cósmicos que tenham um período de cerca de 30 milhões de anos. Um em particular se destaca. O sistema solar oscila em relação ao plano médio da Via Láctea em forma de disco com um período de cerca de 60 milhões de anos. A família do Sol passa por este plano duas vezes a cada período, ou uma vez a cada 30 milhões de anos ou mais. O sistema solar se comporta como um cavalo em um carrossel – conforme percorremos a galáxia em forma de disco, oscilamos para cima e para baixo no disco, passando por sua parte mais densa aproximadamente a cada 30 milhões de anos.
Considerando os possíveis erros na datação das extinções e das crateras, bem como as incertezas no período galáctico, os três ciclos pareceram concordar. Certamente, é muita coincidência que o ciclo encontrado em extinções em massa e crateras de impacto venha a ser um dos períodos fundamentais de nossa galáxia. A ideia parecia quase bonita demais para estar errada. Mas as pessoas em busca de ciclos já foram enganadas e ainda tínhamos que responder à pergunta: Como esse ciclo de movimento leva a perturbações periódicas dos cometas da Nuvem de Oort?
Obviamente, qualquer objeto ou objetos que estivessem causando uma perturbação gravitacional periódica forte o suficiente para perturbar os cometas da Nuvem de Oort, teriam que ser bastante massivos. Hills sugeriu que uma estrela poderia fazer o truque. No entanto, encontros próximos com estrelas não devem ocorrer com tanta frequência como uma vez a cada 30 milhões de anos. Enormes nuvens interestelares de gás e poeira podem ser uma alternativa melhor. Um encontro próximo com uma grande nuvem, digamos, uma com uma massa maior que 10.000 vezes a do Sol, também pode causar uma chuva de cometas.
Uma grande fração da matéria normal da nossa galáxia reside em um disco achatado. Usando simulações de computador de movimento galáctico, o físico John Matese da Universidade de Louisiana e seus colegas calcularam que a Nuvem de Oort seria especialmente vulnerável a perturbações gravitacionais causadas por marés galácticas – em essência, a atração da gravidade de toda a massa concentrada no plano médio . E uma comparação dos tempos estimados em que o sistema solar cruzou o plano galáctico com os tempos de impactos e extinções em massa mostrou possíveis correlações.
Uma conexão com a matéria escura?
Mais recentemente, em 2014, os astrofísicos Lisa Randall e Matthew Reece da Universidade de Harvard sugeriram que as maiores perturbações gravitacionais da Nuvem de Oort poderiam ser de um disco fino invisível de matéria escura exótica. Os astrônomos acreditam que a matéria escura – uma forma misteriosa de matéria que interage apenas por meio da força gravitacional – é responsável por cerca de 85 por cento de toda a matéria do universo. Surpreendentemente, toda a matéria visível em planetas, estrelas, nebulosas e galáxias representa apenas 15% do total.
A evidência da matéria escura vem principalmente dos movimentos das galáxias. A matéria escura explica o fato de que estrelas distantes dos centros das galáxias em rotação têm velocidades muito mais altas do que o previsto apenas pela distribuição da matéria visível. Sem alguma matéria adicional exercendo uma atração gravitacional, as galáxias se separariam. Para explicar o “excesso de velocidade” das estrelas, os cientistas pensam que a matéria escura provavelmente forma um halo esférico ao redor das galáxias. A evidência de matéria escura também vem de aglomerados de galáxias, que requerem muito mais matéria do que é visível para produzir as forças gravitacionais que mantêm os aglomerados unidos. A matéria escura também torna sua presença conhecida por lentes gravitacionais. O halo de matéria escura de uma galáxia próxima distorce a luz das galáxias de fundo em um anel de miragens ao redor da galáxia mais próxima.
A maioria dos astrofísicos acredita que a matéria escura é provavelmente composta de partículas massivas de interação fraca, ou axions. Mas seja o que for, a matéria escura não interage com a radiação eletromagnética, por isso é difícil de detectar. Embora os cientistas deduzam que a matéria escura reside em halos esféricos ao redor de galáxias espirais como a nossa, Randall e Reece sugeriram que parte da matéria escura também estaria concentrada em um disco fino ao longo do plano médio da galáxia.
Alguns pesquisadores prevêem que esse disco naturalmente se fragmentará em aglomerados menores e mais densos. Um teste futuro para a existência de um disco de matéria escura dependerá de novos dados provenientes da espaçonave Gaia da Agência Espacial Europeia, que está medindo os movimentos das estrelas no plano galáctico. O comportamento dessas estrelas depende da massa total no disco da galáxia, o que deve nos dizer quanto – se houver – matéria escura está presente.
Randall e Reece levantam a hipótese de que quando o sistema solar passa pelo plano médio galáctico densamente povoado, a força gravitacional concentrada da massa escura e visível empurra a nuvem de Oort. Isso envia uma chuva de cometas em direção ao sistema solar interno a cada 26 a 30 milhões de anos, onde alguns eventualmente atingem a Terra. Onde estamos neste ciclo hoje? Acabamos de cruzar o plano médio galáctico de “baixo” e permanecemos relativamente perto dele. E leva mais de um milhão de anos para um cometa cair da distante Nuvem de Oort para o interior do sistema solar. Isso nos coloca em uma posição precária, mas está de acordo com a idade de várias crateras jovens e camadas de ejeção produzidas por impacto nos últimos 1 milhão a 2 milhões de anos.
NASA / GSFC / LaRC / JPL / Equipe MISR
Os ciclos da Terra combinam?
Mas a conexão cósmica da Terra pode ser ainda mais profunda. A ideia de um ritmo de aproximadamente 30 milhões de anos em eventos geológicos tem uma longa história na literatura geológica. No início do século 20, W.A. Grabau, um especialista em estratos sedimentares, propôs que a atividade tectônica e a construção de montanhas causam flutuações periódicas no nível do mar com um ciclo de aproximadamente 30 milhões de anos. Na década de 1920, o notável geólogo britânico Arthur Holmes, munido de algumas determinações de idade da decadência radioativa, viu um ciclo semelhante de 30 milhões de anos na atividade geológica da Terra.
Mas a ideia de periodicidade no registro geológico mais tarde caiu em desuso, e a maioria dos geólogos rejeitou a noção simplesmente como a propensão humana para ver ciclos onde não há nenhum. Hoje, a maioria dos cientistas da Terra acredita que o registro geológico preserva o funcionamento de um sistema essencialmente aleatório. A comunidade geológica geralmente é avessa à ideia de ciclos regulares de longo prazo. Isso é resultado, em parte, dos muitos documentos ao longo dos anos que afirmavam encontrar um período ou outro no registro geológico, mas que não sobreviveram a um exame mais minucioso.
Passei muito tempo na biblioteca e on-line pesquisando página por página nos principais jornais em busca de conjuntos de dados relacionados a mudanças geológicas no nível do mar, tectônica, vários tipos de vulcanismo, variações nas taxas de propagação do fundo do mar, eventos de extinção e indicadores de antiguidade mudanças climáticas. (O último deles aparece, por exemplo, na presença de oceanos estagnados esgotados em oxigênio dissolvido ou na ocorrência de grandes depósitos de sal indicando um clima quente e seco.) Eventualmente, fui capaz de reconhecer 77 eventos documentados na história da Terra nos últimos 260 milhões de anos.
Caldeira, meu ex-aluno que agora está na Universidade de Stanford, e eu analisamos a nova compilação de dados e encontramos um forte período de repetição de 26 milhões a 27 milhões de anos. Richard Stothers da NASA fez o mesmo para reversões geomagnéticas e detectou um ciclo de aproximadamente 30 milhões de anos. Admito que a realidade desses ciclos tem sido muito debatida e mais testes estatísticos produziram resultados mistos. Um problema pode ser que é difícil extrair ciclos de conjuntos de dados que contêm eventos periódicos e não periódicos, como seria o caso para esses eventos geológicos.
Mas se os ciclos forem reais, o que poderia estar causando essas mudanças de longo prazo no vulcanismo, tectônica, nível do mar e clima em intervalos regulares, embora amplamente espaçados? No início, pensei que os impactos energéticos periódicos poderiam de alguma forma estar afetando processos geológicos profundos. Sugeri em uma nota curta na revista Nature que grandes impactos podem escavar profundamente e fraturar a crosta – a profundidades superiores a 10 milhas (16 km) – que a liberação repentina de pressão no manto superior resultaria em grande escala Derretendo. Isso levaria à produção de massivas lavas de basalto de inundação, que cobririam a cratera e possivelmente criariam um ponto quente no manto no local do impacto. Os pontos quentes podem levar ao rompimento do continente, o que pode causar aumento da tectônica e mudanças nas taxas de propagação do fundo do oceano e, por sua vez, fazer com que os níveis globais do mar flutuem. Infelizmente, nenhuma estrutura de impacto terrestre conhecida tem uma associação clara com o vulcanismo, embora alguns derramamentos vulcânicos em Marte pareçam estar localizados ao longo de fraturas radiais e concêntricas relacionadas a grandes impactos.
Williamborg / Wikimedia Commons
Preso no núcleo
A chave potencial para resolver esse enigma geológico pode vir do espaço sideral. Lembre-se de que Randall e Reece sugeriram que a Terra passa por um fino disco de matéria escura concentrado ao longo do plano médio da Via Láctea a cada 30 milhões de anos ou mais. O astrofísico Lawrence Krauss e o físico ganhador do Prêmio Nobel Frank Wilczek, da Universidade de Harvard, e, independentemente, Katherine Freese, astrofísica do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, propuseram que a Terra poderia capturar partículas de matéria escura que se acumulariam no núcleo do planeta. O número de partículas de matéria escura poderia crescer o suficiente para que sofressem aniquilação mútua, produzindo quantidades prodigiosas de calor no interior da Terra.
Um artigo de 1998 na revista Astroparticle Physics (que tenho certeza que poucos geólogos já leram) forneceu um elo perdido em potencial. Os astrofísicos indianos Asfar Abbas e Samar Abbas (pai e filho, respectivamente) da Utkal University também estavam interessados na matéria escura e suas interações com nosso planeta. Eles calcularam a quantidade de energia liberada pela aniquilação da matéria escura capturada pela Terra durante sua passagem por um aglomerado denso desse material. Eles descobriram que a destruição mútua entre as partículas poderia produzir uma quantidade de calor 500 vezes maior do que o fluxo de calor normal da Terra e muito maior do que a energia estimada necessária no núcleo da Terra para gerar o campo magnético do planeta. Juntar a periodicidade prevista de 30 milhões de anos em encontros com matéria escura com os efeitos da Terra capturando esta matéria instável produz uma hipótese plausível para a origem de pulsos regulares de atividade geológica.
O excesso de calor do núcleo do planeta pode aumentar a temperatura na base do manto. Esse pulso de calor pode criar uma pluma de manto, uma coluna ascendente de rocha de manto quente com uma cabeça larga e uma cauda estreita. Quando essas plumas ascendentes penetram na crosta terrestre, elas criam pontos quentes, iniciam erupções de basalto de inundação e comumente levam à fratura continental e ao início de um novo episódio de expansão do fundo do mar. A nova fonte de aquecimento periódico por matéria escura no interior do nosso planeta pode levar a surtos periódicos de atividade manto-pluma e mudanças nos padrões de convecção no núcleo e manto da Terra, o que pode afetar a tectônica global, vulcanismo, reversões de campo geomagnético e clima, tais como nosso planeta já experimentou no passado.
Esses eventos geológicos podem levar a mudanças ambientais que podem ser suficientes para causar eventos de extinção por conta própria. Uma correlação de algumas extinções com épocas de grandes derramamentos vulcânicos de lava apóia essa visão. Esta nova hipótese relaciona os eventos geológicos na Terra com a estrutura e dinâmica da Via Láctea.
Ainda é muito cedo para dizer se os ingredientes dessa hipótese resistirão a exames e testes adicionais. Claro, correlações entre eventos geológicos podem ocorrer mesmo que não façam parte de um padrão periódico, e ciclos geológicos de longo prazo podem existir separados de quaisquer conexões cósmicas externas. A virtude da explicação galáctica para a periodicidade terrestre reside em sua universalidade – porque todas as estrelas no disco da galáxia, muitas das quais abrigam planetas, sofrem uma oscilação semelhante sobre o plano médio galáctico – e em sua ligação com a evolução biológica e geológica na Terra, e talvez em outros sistemas solares, aos grandes ciclos de nossa galáxia.
Publicado em 27/11/2021 17h16
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