Como Theia pode ter levado condritos carbonáceos à Terra

Como é que a Terra, única entre os planetas rochosos do Sistema Solar, se tornou num lar para a vida? De que modo é que o nosso planeta conseguiu ser quente, acolhedor e capaz de sustentar vida no meio de tanta matéria fria e sem vida?

A explicação é complexa e reúne vários factores. Parte dela encontra-se na cosmoquímica, uma área interdisciplinar que investiga a distribuição dos elementos químicos.

Há intensa actividade no Sistema Solar, onde tudo está em constante movimento. Há 4,5 mil milhões de anos, o cenário era ainda mais turbulento: os planetas continuavam a formar-se, enquanto planetesimais e embriões planetários percorriam o espaço e colidiam entre si.

No meio deste caos, a Terra recebeu, de algum modo, uma proporção invulgarmente elevada de condritos carbonáceos, bem como dos aminoácidos e de outros compostos favoráveis à vida transportados por esses corpos.

Condritos carbonáceos e a composição da Terra

Estudos de cosmoquímica indicam que entre 5% e 10% da massa terrestre foi fornecida por condritos carbonáceos que atingiram o planeta jovem. Os trabalhos também sugerem que uma parte substancial desse material terá sido trazida pelo impactor Theia, o corpo que deu origem à Lua.

Para avaliar estas hipóteses com maior rigor, três investigadores recorreram a simulações dinâmicas da formação do Sistema Solar, procurando verificar se conseguiam reproduzir este resultado.

O estudo intitula-se «Origem dinâmica de Theia, o último grande impactor da Terra». O autor principal é Duarte Branco, do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, no Observatório Astronómico de Lisboa, em Portugal. A investigação será publicada na revista Icarus.

Uma das distinções fundamentais da cosmoquímica separa os condritos carbonáceos (CC) dos meteoritos não carbonáceos (NC). Esta divisão organiza a população de meteoritos do Sistema Solar em dois grupos e aponta para a existência de dois reservatórios distintos de matéria.

Os CC formaram-se mais longe do Sol, provavelmente para lá de Júpiter, e transportam maiores quantidades de substâncias voláteis, como água e compostos orgânicos. Os NC incluem, por exemplo, meteoritos de ferro e possuem menos voláteis.

Para testar a possibilidade de Theia ter fornecido CC e voláteis à Terra, a equipa realizou simulações detalhadas do Sistema Solar. Tratou-se de simulações de N corpos centradas nas fases finais do crescimento dos planetas terrestres.

As simulações arrancaram nas etapas tardias da formação planetária, depois de o disco gasoso do Sistema Solar se ter dissipado. A massa sólida disponível foi repartida entre planetesimais e embriões planetários.

O modelo incluiu CC dispersos para o interior enquanto Júpiter e Saturno ainda cresciam e acumulavam matéria. Devido à diferença de dimensão entre planetesimais e embriões planetários, estes últimos têm maior probabilidade de interagir com os planetas terrestres e de lhes entregar material CC.

Os investigadores executaram três categorias de simulações. A primeira, designada apenas pequenos, incorporava exclusivamente objectos CC pequenos, ou seja, planetesimais. A segunda, chamada apenas grandes, incluía somente objectos CC grandes, os embriões planetários. A terceira combinava planetesimais e embriões CC, recebendo o nome de cenário misto.

Em 10 simulações de cada um destes cenários, foi ainda introduzido o efeito da instabilidade dinâmica dos planetas gigantes. Conhecido na astronomia como o «modelo de Nice», este mecanismo descreve a alteração das órbitas dos planetas gigantes relativamente às posições onde se formaram inicialmente.

O objectivo consistia em apurar como os CC e os NC se distribuíram pelo Sistema Solar, bem como compreender por que motivo a Terra acabou com mais CC do que os restantes planetas rochosos, sobretudo Marte. A equipa pretendeu igualmente determinar se o impacto de Theia poderia explicar a entrega de uma grande quantidade do material CC da Terra.

O papel de Júpiter e do impactor Theia

Um resultado inequívoco mostra que a instabilidade dos planetas gigantes, em especial a deslocação de Júpiter para uma órbita diferente, teve um efeito marcado na acreção de material CC pela Terra.

Quando os autores incorporaram a instabilidade dinâmica dos planetas gigantes, os resultados tornaram-se ainda mais reveladores. «A instabilidade dos planetas gigantes alterou drasticamente a evolução do sistema, provocando um forte impulso de excitação da excentricidade, que conduziu a uma vaga de colisões e ejecções», escrevem os autores. Apesar disso, o estado final do sistema pouco se alterou.

Uma componente decisiva das simulações é o impactor Theia. Investigações anteriores indicam que Theia poderá ter sido um objecto carbonáceo. Se assim for, grande parte das condições de habitabilidade que tornam a Terra favorável à vida poderá resultar dessa colisão.

«No cenário misto sem instabilidade dos planetas gigantes, o impactor final da Terra incluiu uma componente CC em mais de metade de todas as simulações. Em 38.5% das simulações, o impactor final era um embrião CC puro e, noutros 13.5%, o impactor era um embrião NC que tinha anteriormente acumulado um embrião CC», escrevem os investigadores.

No conjunto, as simulações desenham um Sistema Solar inicial com dois anéis distintos de planetesimais: um anel interior, composto por planetesimais rochosos, e um anel exterior de condritos carbonáceos.

Mais tarde, à medida que os gigantes gelados migravam para o interior, impeliam material CC para a região interna do Sistema Solar. Parte desse material ficou retida na cintura de asteróides, enquanto os objectos mais massivos foram preferencialmente dispersos para as órbitas dos planetas rochosos.

«A acreção tardia dos planetas terrestres envolveu uma série de impactos gigantes entre embriões e planetesimais NC, pontuada por impactos ocasionais de objectos CC», explicam os autores.

Este cenário esclarece vários aspectos do Sistema Solar. Explica as massas e as órbitas dos planetas terrestres, assim como a distribuição orbital dos asteróides. Também é compatível com a fracção de massa CC da Terra e de Marte, sendo que Marte não apresenta as mesmas concentrações de material CC observadas na Terra.

Se a simulação apenas pequenos estivesse correcta, isto é, se o material CC existisse unicamente sob a forma de planetesimais, a fracção de massa CC de Marte e da Terra seria aproximadamente igual.

Theia como fonte de material favorável à vida

Os investigadores procuraram demonstrar que, em consonância com outros estudos, Theia poderia ter sido o último grande impactor da Terra e conter uma quantidade significativa de material CC. Os resultados parecem confirmar essa possibilidade.

Nas simulações, o último impacto gigante da Terra ocorreu com Theia, um objecto com concentrações mais elevadas de material CC, o que ajudou a tornar a Terra habitável. Este resultado está alinhado com o entendimento científico actual.

O trabalho indica que o último impacto aconteceu entre 5 e 150 milhões de anos após a dissipação do gás. Uma grande fracção dos casos situou-se entre 20 e 70 milhões de anos. Existem incertezas quanto à cronologia do impacto de Theia, e estes resultados enquadram-se nesses limites.

As simulações também sustentam outras conclusões segundo as quais embriões e planetesimais CC poderão ter sido incorporados durante todo o crescimento da Terra, embora se tenham concentrado nas fases mais tardias desse processo.

«No contexto deste cenário, o último impactor gigante da Terra continha uma componente CC em cerca de metade de todas as simulações mistas», escrevem os autores.

«Na maioria destes casos (38% das simulações), Theia era um embrião CC intacto e, nos restantes, Theia era um embrião NC que tinha anteriormente acumulado um embrião CC.»

A investigação revela ainda a importância de Júpiter na arquitectura do Sistema Solar. Além de limitar a extensão da cintura de asteróides, o planeta teve um papel relevante na determinação da composição final dos planetas terrestres, ao dispersar material CC do Sistema Solar exterior para a trajectória dos planetas rochosos, sobretudo da Terra.

Foram necessárias inúmeras circunstâncias favoráveis para que a Terra se tornasse no mundo capaz de sustentar vida que é hoje. Continua por saber quão provável é a existência de outros mundos semelhantes. Para um exoplaneta albergar vida, poderá ser necessário mais do que estar numa zona habitável.

Poderá existir um número desconcertante de variáveis que têm de coincidir, incluindo planetas gigantes exteriores que migram e levam carbono até mundos rochosos situados em zonas habitáveis.

Este artigo foi originalmente publicado pela Universe Today. Leia o artigo original.