Quando o sol estava 30% mais escuro, a Terra deveria ter congelado. No entanto, a água fluiu e a vida floresceu. A solução para o paradoxo mostra que podemos ter esse sol fraco a dever pela existência da vida – com consequências críticas para a possibilidade de vida fora da Terra.
Nosso sol está ficando mais brilhante. Se você pudesse viajar no tempo até o início do sistema solar, 4,5 bilhões de anos atrás, encontraria uma estrela cerca de 30% mais escura do que é agora. Ao longo das eras subsequentes, ela brilhou cada vez mais brilhantemente – uma função do processo de fusão nuclear que ocorre nos núcleos de estrelas como a nossa – e continuará a fazê-lo até o final de sua vida, cerca de 5 bilhões de anos. a partir de agora.
Aquele sol fraco original deveria ter levado ao desastre aqui na Terra. Se nossa Terra moderna fosse colocada sob esse sol, as temperaturas seriam em média cerca de -7 graus Celsius – muito frias para a água líquida fluir. “O planeta deveria estar completamente congelado”, disse Toby Tyrrell, cientista do sistema terrestre da Universidade de Southampton. “Não deveria ter sido possível que a vida se desenvolvesse.”
E ainda assim aconteceu. Sabemos que nosso planeta tinha água líquida em sua superfície há 4,4 bilhões de anos, e talvez até antes, quando o vapor de água se condensou na atmosfera. A vida unicelular parece ter surgido pouco depois. E tanto a água do planeta quanto sua vida persistiram – apesar de algumas tentativas – para inventar o relativo oásis que habitamos hoje.
Se o sol estava tão fraco, como isso era possível?
O paradoxo do sol jovem e fraco, como é conhecido, tem incomodado os cientistas há décadas. Mas trabalhos recentes levaram muitos pesquisadores a pensar que agora temos um controle sólido sobre o problema. Ideias antigas foram refinadas, enquanto novas ideias – incluindo uma envolvendo uma lua irritantemente próxima que esculpiu maremotos do tamanho de arranha-céus – ajudaram a preencher as poucas lacunas restantes em nossa compreensão.
Os cientistas também perceberam que o paradoxo do sol jovem e fraco traz implicações importantes não apenas para a Terra, mas para nossa compreensão de como a vida em geral pode vir a ser. Nosso mundo, mesmo em sua localização ideal em torno de uma estrela relativamente calma, conseguiu produzir vida apenas por uma margem muito pequena? O que isso pode significar para a perspectiva de vida em outro lugar? “É uma questão realmente fundamental sobre a habitabilidade da Terra ao longo de toda a sua história”, disse Benjamin Charnay, cientista planetário do Observatório de Paris, “e tem fortes implicações sobre a habitabilidade dos exoplanetas”.
Ao explorar os mistérios do problema do sol fraco e jovem, abrimos a história do nosso mundo como nunca antes. Ao fazer isso, estamos descobrindo que o que antes era um paradoxo pode, de fato, revelar a própria razão de nossa existência.
O paradoxo
Em meados do século 20, os cientistas começaram a entender a mecânica que impulsiona a evolução de estrelas como o nosso sol. Nas profundezas do núcleo de uma estrela, o hidrogênio se funde em hélio, produzindo energia. À medida que a quantidade de hidrogênio diminui, o núcleo encolhe, o que, por sua vez, aumenta a taxa de fusão. A estrela fica mais brilhante com o tempo.
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Em 1958, o astrofísico alemão-americano Martin Schwarzschild e o astrônomo britânico Fred Hoyle usaram esse conhecimento separadamente para chegar à mesma conclusão: quando nosso sol se formou, ele deve ter apenas cerca de 70% da luminosidade que tem agora. “Os primeiros modelos de evolução estelar previram isso”, disse James Kasting, geocientista da Pennsylvania State University. Na década de 1960, no entanto, os cientistas começaram a encontrar evidências de água na Terra que datam de 4 bilhões de anos. Isso parecia contradizer os modelos solares; A Terra não deveria estar quente o suficiente sob o sol fraco e jovem para possuir água líquida. Um artigo em 1965, em um esforço para resolver a discrepância, sugeriu que ou o sol era mais velho do que pensávamos, ou o modelo da evolução do nosso sol “pode exigir alguma modificação para permitir luminosidades mais altas”.
Os astrônomos americanos Carl Sagan e George Mullen fizeram uma tentativa mais substancial de resolver o paradoxo em 1972, realizando a primeira análise detalhada do problema do sol jovem e fraco. Eles sugeriram que uma atmosfera mais espessa na Terra primitiva poderia ter sido capaz de reter mais calor, mantendo o planeta aquecido o suficiente para suportar água líquida. O gás de efeito estufa que eles apresentaram foi a amônia.
A amônia não durou muito como uma solução potencial para o paradoxo, no entanto. “É destruído pela radiação ultravioleta solar”, disse Georg Feulner, pesquisador climático do Instituto Potsdam para Pesquisa de Impacto Climático. “As pessoas perceberam mais tarde que simplesmente não funciona.” No final da década de 1970, os cientistas se voltaram para outro gás de efeito estufa – o dióxido de carbono – como uma possível solução. “O dióxido de carbono é muito menos problemático”, disse Feulner. “Há muito carbono no sistema da Terra desde o início, então é uma suposição razoável que você pode produzir quantidades significativas de dióxido de carbono na atmosfera”.
Kasting e seus colegas exploraram os possíveis efeitos do dióxido de carbono em 1981, observando que os vulcões poderiam ter liberado o suficiente para superar o problema do sol fraco. Mesmo que a Terra conseguisse congelar – o que parece ter acontecido em pelo menos três ocasiões – os vulcões enfiando o nariz no gelo podem reverter o processo. “O grande efeito estufa resultante deve derreter a cobertura de gelo em um período geologicamente curto de tempo”, escreveram Kasting e seus colegas.
O que tornou a terra habitável:
A vida não demorou muito para surgir na Terra, mas a luminosidade solar era apenas 70% do que é hoje em dia. Cientistas acreditam que gases do efeito estufa podem ter ajudado a manter a terra quente:
Mas a evidência para a hipótese foi extremamente difícil de encontrar – não podemos simplesmente pegar uma amostra da atmosfera de 4 bilhões de anos atrás. Na ausência de comprovação geológica, surgiram outras possibilidades. Talvez altos níveis de dióxido de carbono reduzissem a quantidade de nuvens baixas refletivas que teriam refletido a luz do sol de volta ao espaço. Ou talvez o sol fosse mais massivo no passado distante, contrariando o processo de fusão diminuído em seu núcleo. “Se você aumentar a massa do sol em 5%, então o sol inicialmente seria tão brilhante quanto é agora, e não teríamos um problema de sol fraco”, disse Piet Martens, da Georgia State University. A maioria dos pesquisadores vê essa ideia com ceticismo, no entanto.
Uma solução para o problema do sol jovem e fraco exigia uma melhor compreensão dos primeiros períodos da Terra: o éon Hadeano, que durou de 4,6 bilhões a 4 bilhões de anos atrás, e o subsequente éon Arqueano que terminou há 2,5 bilhões de anos. Os cientistas precisavam descobrir quando a água e a vida surgiram pela primeira vez e entender a atmosfera primitiva da Terra. Felizmente, as respostas não estavam longe.
Água, Água, Em Todo Lugar
No alvorecer do Hadeano, um objeto pelo menos do tamanho de Marte, e talvez duas vezes maior, atingiu a jovem proto-Terra. A colisão formou a lua e essencialmente redefiniu a linha do tempo do nosso planeta para zero. Também provavelmente elevou as temperaturas na Terra, com um vasto oceano de magma envolvendo o planeta.
Esse oceano de magma poderia ter esfriado em apenas algumas dezenas de milhões de anos, permitindo que um planeta mais reconhecível tomasse forma. A evidência disso vem de minúsculos cristais chamados zircões.
“Os zircões são os sólidos terrestres mais antigos conhecidos em nosso planeta hoje”, disse Dustin Trail, cientista da Terra da Universidade de Rochester que publicou trabalhos sobre suas propriedades em 2018. “Eles têm idades que remontam a 4,4 bilhões de anos”. Estudar a proporção de diferentes formas de oxigênio em alguns desses zircões mostra que eles podem ter interagido com a água há 4,38 bilhões de anos, apontando para a presença de água líquida e talvez oceanos em nosso planeta quase imediatamente após a fase oceânica de magma . “É notável quando você pensa sobre isso”, disse Trail. “Ele efetivamente diz que 150 milhões de anos após a formação do sistema solar, podemos ter tido um planeta habitável”.
Apenas 300 milhões de anos depois – 4,1 bilhões de anos atrás – aparecem algumas das primeiras evidências de vida. Em 2015, Elizabeth Bell, geocientista da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, e colegas encontraram carbono de fontes biológicas dentro de zircões. “Inferimos que estes potencialmente eram restos de organismos que viveram há 4,1 bilhões de anos ou antes, quando ficaram presos neste cristal”, disse Bell.
Nicholas Tailby
Não temos medições confiáveis de dióxido de carbono atmosférico de muito tempo atrás. Mas, até onde podemos olhar, vemos que havia muito disso. Em janeiro de 2020, Owen Lehmer, cientista planetário agora no Centro de Pesquisa Ames da NASA, na Califórnia, e colegas publicaram um trabalho analisando a composição de meteoritos de 2,7 bilhões de anos atrás. Eles descobriram que, à medida que os meteoritos passavam pela nossa atmosfera, eles preservavam um registro da composição atmosférica. Os pesquisadores mostraram que pode ter sido 70% de dióxido de carbono ou mais, em comparação com apenas 0,04% hoje.
“É realmente bastante abundante na atmosfera naquela época”, disse Lehmer. “Adicionar um monte de dióxido de carbono certamente está alinhado com manter a Terra jovem aquecida e evitar uma bola de neve gigante.”
Quando a bola de neve veio
As temperaturas nem sempre eram tão amenas. Em várias ocasiões “o termostato falhou espetacularmente”, disse Feulner. Cerca de 2,4 bilhões de anos atrás, as geleiras avançaram até o equador. “Acreditamos que neste momento tivemos o primeiro evento ‘?Terra bola de neve'”, disse Andreas Pack, geoquímico da Universidade de Göttingen. “Todos os oceanos estavam congelados, provavelmente [sob] várias centenas de metros de gelo.” Os cientistas acham que isso aconteceu quando muito dióxido de carbono foi retirado da atmosfera – absorvido por rochas de silicato em terra e no fundo do mar em um processo chamado intemperismo das rochas – embora o gatilho exato seja desconhecido.
O dióxido de carbono adicional dos vulcões pode ter permitido ao nosso planeta reverter o processo. Então, cerca de 2 bilhões de anos atrás, o sol se tornou luminoso o suficiente – em mais de 80% de seu valor atual – para suportar água líquida. “O sol acaba se aquecendo o suficiente para fornecer a insolação necessária”, disse Renu Malhotra, cientista planetário da Universidade do Arizona. (Acredita-se que eventos de bola de neve adicionais na Terra tenham ocorrido há 700 milhões e 635 milhões de anos atrás. As erupções vulcânicas podem ter sido a causa tanto do início quanto do fim de cada um desses períodos.)
Ao longo da última década, a modelagem avançada do ciclo de carbono do nosso planeta sugeriu que no início da história da Terra, menos dióxido de carbono pode ter sido necessário do que os pesquisadores pensavam. Outros fatores, como a produção de metano por seres vivos, podem ter ajudado a aumentar o efeito estufa.
Em novembro de 2021, René Heller, do Instituto Max Planck de Pesquisa do Sistema Solar na Alemanha, e seus colegas apresentaram outra fonte potencial de calor. Logo após a formação da lua, ela provavelmente estava 15 vezes mais próxima da Terra do que está hoje. A gravidade da lua teria tido um enorme impacto, criando enormes maremotos que se elevavam 2 quilômetros acima de qualquer oceano de magma ou água líquida presente. Também teria empurrado e puxado o interior da Terra, gerando um aquecimento de maré extremo que aumentou a temperatura do planeta. Embora não seja suficiente para resolver o paradoxo do sol jovem e fraco por si só, a lua poderia ter dado à Terra um impulso vital nos primeiros 100 milhões a 300 milhões de anos do nosso planeta, aumentando a temperatura da Terra em vários graus e ajudando a impulsionar a atividade vulcânica pela superfície.
“Se incluirmos o aquecimento das marés, o enigma se torna menos grave”, disse Heller. “Sem o aquecimento das marés, acho que a Terra inteira seria uma bola de neve global.”
Os benefícios de um sol fraco
Outro trabalho recente sugeriu que o sol fraco e jovem pode não ter sido um problema, mas um salvador. Se o sol possuísse entre 92% e 95% de sua luminosidade atual há 4,5 bilhões de anos, a Terra poderia ter ficado muito quente, resultando em uma “Terra de vapor”, com vapor de água incapaz de condensar para fora da atmosfera. “A Terra nunca teria sido capaz de formar seus primeiros oceanos”, disse Martin Turbet, astrofísico do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica. “O fraco sol jovem pode ter sido uma necessidade para a habitabilidade da Terra.” Seu trabalho, publicado em outubro, modelou o clima inicial de Vênus, descobrindo que o planeta nunca foi frio o suficiente para suportar água líquida, mesmo com um sol mais fraco. Se o sol primitivo não estivesse fraco, nosso planeta poderia ter compartilhado o destino de Vênus.
As próximas missões a Vênus planejadas pela NASA e pela Agência Espacial Européia podem nos dizer se essa ideia está correta procurando por sinais de água antiga. Se eles não encontrarem nenhum, talvez devêssemos ser gratos. “É um leve benefício do sol jovem”, disse Kasting. Um sol quente “teria fervido os oceanos”.
Marte apresenta um enigma mais complicado. De acordo com novos dados do rover Perseverance da NASA, Marte parece ter rios e lagos em sua superfície há pelo menos 3,7 bilhões de anos. Não está claro como isso teria sido possível em sua maior distância do sol.
“Em Marte, o quebra-cabeça é aprimorado”, disse Kirsten Siebach, cientista planetária da Rice University e membro da equipe científica de várias missões robóticas em Marte, incluindo Perseverance. “O Marte antigo teria exigido o dobro do efeito estufa que temos na Terra hoje.” Amostras coletadas pela Perseverance, para serem devolvidas à Terra na década de 2030, poderiam nos dizer se isso era possível.
Para planetas em outros sistemas solares, o problema do sol fraco e jovem complica a questão da vida extraterrestre. Em dezembro de 2020, Tyrrell calculou que a habitabilidade contínua da Terra se deve principalmente ao acaso. Ele criou um modelo de computador de 100.000 planetas. Cada um começou como habitável. Ele então submeteu cada planeta a 100 simulações de vários cenários de feedback climático. Para 91% dos planetas, nenhuma simulação manteve o planeta habitável em escalas de tempo geológicas. “O sucesso da Terra não foi um resultado inevitável, mas sim contingente”, escreveu ele. “Poderia ter ido de qualquer maneira.” Assim, para que os exoplanetas tenham o potencial de desenvolver vida, talvez eles precisem ter os ingredientes certos nas circunstâncias certas – como a Terra.
Sabemos que a vida sob o nosso sol fraco e jovem era possível, e agora podemos saber por quê. O que estamos começando a ver é quão sortudos podemos ter sido em evitar nos tornarmos uma Terra de bola de neve permanente ou mesmo uma Terra a vapor. De alguma forma, as condições estavam perfeitas em nosso planeta, mantendo-nos nessa janela estreita entre ser congelado e evaporar até o esquecimento, e nos permitir sobreviver – apesar de alguns quase acidentes. “Há uma grande discussão sobre os requisitos de habitabilidade”, disse Feulner. “Mesmo na Terra, as coisas poderiam ter dado errado facilmente.”
Publicado em 28/01/2022 09h05
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