Antes de o sistema solar ter planetas, o sol tinha anéis – bandas de poeira e gás semelhantes aos anéis de Saturno – que provavelmente desempenharam um papel na formação da Terra, de acordo com um novo estudo.
“No sistema solar, algo aconteceu para evitar que a Terra crescesse e se tornasse um tipo muito maior de planeta terrestre chamado super-Terra”, disse o astrofísico da Universidade Rice André Izidoro, referindo-se aos enormes planetas rochosos vistos ao redor de pelo menos 30% de estrelas semelhantes ao sol em nossa galáxia.
Izidoro e seus colegas usaram um supercomputador para simular a formação do sistema solar centenas de vezes. Seu modelo, que é descrito em um estudo publicado online na Nature Astronomy, produziu anéis como aqueles vistos ao redor de muitas estrelas jovens distantes. Ele também reproduziu fielmente várias características do sistema solar perdidas por muitos modelos anteriores, incluindo:
– Um cinturão de asteróides entre Marte e Júpiter contendo objetos do sistema solar interno e externo.
– As localizações e as órbitas estáveis e quase circulares da Terra, Marte, Vênus e Mercúrio.
– As massas dos planetas internos, incluindo Marte, que muitos modelos do sistema solar superestimam.
– A dicotomia entre a composição química dos objetos do sistema solar interno e externo.
– Uma região do cinturão de Kuiper de cometas, asteróides e pequenos corpos além da órbita de Netuno.
O estudo realizado por astrônomos, astrofísicos e cientistas planetários de Rice, da Universidade de Bordeaux, do Southwest Research Institute em Boulder, Colorado, e do Max Planck Institute for Astronomy em Heidelberg, Alemanha, baseia-se nas últimas pesquisas astronômicas sobre sistemas estelares infantis.
Seu modelo assume que três bandas de alta pressão surgiram dentro do disco de gás e poeira do jovem sol. Essas “elevações de pressão” foram observadas em discos estelares anelados em torno de estrelas distantes, e o estudo explica como as elevações de pressão e os anéis podem ser responsáveis pela arquitetura do sistema solar, disse o autor principal Izidoro, um pesquisador de pós-doutorado em Rice que recebeu seu Ph.D. treinamento na Universidade Estadual Paulista no Brasil.
“Se as superterras são supercomuns, por que não temos uma no sistema solar?” Disse Izidoro. “Propomos que os choques de pressão produziram reservatórios desconectados de material de disco no sistema solar interno e externo e regularam a quantidade de material disponível para o crescimento de planetas no sistema solar interno.”
Picos de pressão
Por décadas, os cientistas acreditaram que o gás e a poeira nos discos protoplanetários gradualmente se tornaram menos densos, caindo suavemente em função da distância da estrela. Mas as simulações de computador mostram que é improvável que os planetas se formem em cenários de disco liso.
“Em um disco liso, todas as partículas sólidas – grãos de poeira ou pedregulhos – devem ser atraídas para dentro muito rapidamente e perdidas na estrela”, disse o astrônomo e coautor do estudo Andrea Isella, professor associado de física e astronomia da Rice. “É preciso algo para detê-los, a fim de dar-lhes tempo para crescer e se tornar planetas.”
Quando as partículas se movem mais rápido do que o gás ao seu redor, elas “sentem um vento contrário e se movem muito rapidamente em direção à estrela”, explicou Izidoro. Nas elevações de pressão, a pressão do gás aumenta, as moléculas de gás se movem mais rápido e as partículas sólidas param de sentir o vento contrário. “Isso é o que permite que as partículas de poeira se acumulem nas elevações de pressão”, disse ele.
Isella disse que os astrônomos observaram colisões de pressão e anéis de disco protoplanetário com o Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, ou ALMA, um enorme radiotelescópio de 66 pratos que entrou em operação no Chile em 2013.
“O ALMA é capaz de obter imagens muito nítidas de sistemas planetários jovens que ainda estão se formando, e descobrimos que muitos dos discos protoplanetários nesses sistemas são caracterizados por anéis”, disse Isella. “O efeito do aumento de pressão é que ele coleta partículas de poeira, e é por isso que vemos anéis. Esses anéis são regiões onde você tem mais partículas de poeira do que nas lacunas entre os anéis.”
Formação de anel
O modelo de Izidoro e seus colegas presumiu que as colisões de pressão formadas no início do sistema solar em três lugares onde as partículas que caíam em direção ao sol teriam liberado grandes quantidades de gás vaporizado.
“É apenas uma função da distância da estrela, porque a temperatura aumenta à medida que você se aproxima da estrela”, disse o geoquímico e co-autor do estudo Rajdeep Dasgupta, o professor Maurice Ewing de Ciência dos Sistemas Terrestres em Rice. “O ponto em que a temperatura é alta o suficiente para que o gelo seja vaporizado, por exemplo, é uma linha de sublimação que chamamos de linha de neve.”
Nas simulações de Rice, saliências de pressão nas linhas de sublimação de silicato, água e monóxido de carbono produziram três anéis distintos. Na linha de silicato, o ingrediente básico da areia e do vidro, o dióxido de silício, tornou-se vapor. Isso produziu o anel mais próximo do sol, onde Mercúrio, Vênus, Terra e Marte se formariam mais tarde. O anel do meio apareceu na linha de neve e o anel mais distante na linha de monóxido de carbono.
Anéis de nascimento de planetesimais e planetas
Os discos protoplanetários esfriam com o tempo, então as linhas de sublimação teriam migrado em direção ao sol. O estudo mostrou que esse processo pode permitir que a poeira se acumule em objetos do tamanho de asteróides chamados planetesimais, que podem então se juntar para formar planetas. Izidoro disse que estudos anteriores presumiam que os planetesimais poderiam se formar se a poeira fosse suficientemente concentrada, mas nenhum modelo ofereceu uma explicação teórica convincente de como a poeira pode se acumular.
“Nosso modelo mostra que os solavancos de pressão podem concentrar poeira, e os solavancos de pressão em movimento podem atuar como fábricas planetesimais”, disse Izidoro. “Simulamos a formação de planetas começando com grãos de poeira e cobrindo muitos estágios diferentes, de pequenos grãos de tamanho milimétrico a planetesimais e depois planetas.”
Contabilizando assinaturas cosmoquímicas, a massa de Marte e o cinturão de asteróides
Muitas simulações anteriores do sistema solar produziram versões de Marte 10 vezes mais massivas do que a Terra. O modelo prevê corretamente que Marte tenha cerca de 10% da massa da Terra porque “Marte nasceu em uma região de baixa massa do disco”, disse Izidoro.
Dasgupta disse que o modelo também fornece uma explicação convincente para dois dos mistérios cosmoquímicos do sistema solar: a diferença marcante entre as composições químicas dos objetos do sistema solar interno e externo e a presença de cada um desses objetos no cinturão de asteróides entre Marte e Júpiter.
As simulações de Izidoro mostraram que o anel do meio poderia explicar a dicotomia química, evitando que o material do sistema externo entre no sistema interno. As simulações também produziram o cinturão de asteróides em sua localização correta e mostraram que ele foi alimentado com objetos das regiões interna e externa.
“O tipo mais comum de meteoritos que obtemos do cinturão de asteróides são isotopicamente semelhantes a Marte”, disse Dasgupta. “Andre explica por que Marte e esses meteoritos comuns deveriam ter uma composição semelhante. Ele deu uma resposta matizada a essa pergunta.”
Tempo de aumento de pressão e super-Terras
Izidoro disse que o atraso no aparecimento do anel do meio do Sol em algumas simulações levou à formação de super-Terras, o que aponta para a importância do tempo de aumento de pressão.
“No momento em que o aumento de pressão se formou nesses casos, uma grande quantidade de massa já havia invadido o sistema interno e estava disponível para fazer super-Terras”, disse ele. “Portanto, o momento em que esse aumento de pressão média se formou pode ser um aspecto chave do sistema solar.”
Izidoro é um associado de pesquisa de pós-doutorado no Departamento de Ciências da Terra, Meio Ambiente e Planetárias de Rice. Outros co-autores incluem Sean Raymond da Universidade de Bordeaux, Rogerio Deienno do Southwest Research Institute e Bertram Bitsch do Max Planck Institute for Astronomy. A pesquisa foi apoiada pela NASA (80NSSC18K0828, 80NSSC21K0387), o Conselho Europeu de Pesquisa (757448-PAMDORA), a Agência Federal Brasileira de Apoio e Avaliação da Educação de Pós-Graduação (88887.310463 / 2018-00), a Fundação Welch (C-2035) e o Programa Nacional de Planetologia do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica.
Publicado em 06/01/2022 21h55
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