INVESTIGADORES RASTREIAM JORNADA DE UM GRÃO DE POEIRA PELO SISTEMA SOLAR RECÉM-NASCIDO 25 de junho de 2021
Impressão de artista do início do Sistema Solar, numa altura em que ainda não tinham sido formados os planetas. Uma nuvem rodopiante de gás e poeira rodeava o jovem Sol. O corte no disco protoplanetário serve para mostrar a sua estrutura tridimensional.
Crédito: Heather Roper
Uma equipa de investigação liderada pela Universidade do Arizona reconstruiu em detalhes sem precedentes a história de um grão de poeira que se formou durante o nascimento do Sistema Solar, há mais de 4,5 mil milhões de anos. Os achados fornecem informações sobre os processos fundamentais subjacentes à formação dos sistemas planetários, muitos dos quais ainda estão envoltos em mistério.
Para o estudo, a equipa desenvolveu uma nova metodologia que combina mecânica quântica e termodinâmica para simular as condições às quais o grão foi exposto durante a sua formação, quando o Sistema Solar era um disco giratório de gás e poeira conhecido como disco protoplanetário ou nebulosa solar. A comparação das previsões do modelo com uma análise extremamente detalhada da composição química e da estrutura cristalina da amostra, juntamente com um modelo de como a matéria foi transportada na nebulosa solar, revelou pistas sobre a viagem do grão e sobre as condições ambientais que o moldaram durante o caminho.
O grão analisado no estudo é uma das várias inclusões, conhecidas como inclusões ricas em cálcio-alumínio, descobertas numa amostra do meteorito Allende, que caiu sobre o estado mexicano de Chihuahua em 1969. As inclusões ricas em cálcio-alumínio são de especial interesse porque pensa-se que estejam entre os primeiros sólidos formados no Sistema Solar há mais de 4,5 mil milhões de anos.
Tal como os carimbos num passaporte contam uma história sobre a jornada de um viajante e das suas paragens ao longo do caminho, as estruturas a escalas microscópicas e a escalas atómicas da amostra desvendam um registo das suas histórias de formação, que foram controladas pelos ambientes coletivos aos quais foram expostas.
"Que saibamos, o nosso artigo é o primeiro a contar uma história de origem que fornece pistas sobre os processos prováveis que tiveram lugar à escala de distâncias astronómicas com o que vemos na nossa amostra à escala de distâncias atómicas," disse Tom Zega, professor no LPL (Lunar and Planetary Laboratory) da Universidade do Arizona e autor principal do artigo científico, publicado na revista The Planetary Science Journal.
Zega e a sua equipa analisaram a composição das inclusões embebidas no meteorito usando os microscópios eletrónicos de varredura por transmissão de resolução atómica de última geração do KMICF (Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility) do LPL e da fábrica da Hitachi em Hitachinaka, Japão.
As inclusões consistem principalmente de tipos de minerais conhecidos como espinela e perovskite, que também ocorrem em rochas na Terra e estão a ser estudados como materiais candidatos para aplicações como microeletrónica e energia solar fotovoltaica.
Tipos semelhantes de sólidos ocorrem noutros géneros de meteoritos conhecidos como condritos carbonáceos, que são particularmente interessantes para os cientistas planetários, pois são conhecidos por serem remanescentes da formação do Sistema Solar e contêm moléculas orgânicas, incluindo aquelas que podem ter fornecido as matérias-primas para a vida.
A análise precisa do arranjo espacial dos átomos permitiu à equipa estudar, em grande detalhe, a composição das estruturas cristalinas subjacentes. Para surpresa da equipa, alguns dos resultados estavam em desacordo com as teorias atuais no que concerne aos processos físicos considerados ativos dentro dos discos protoplanetários, o que os levou a querer saber mais.
"O nosso desafio é que não sabemos quais os percursos químicos que levaram às origens destas inclusões," disse Zega. "A natureza é o nosso gobelé de laboratório, e essa experiência teve lugar milhares de milhões de anos antes da nossa existência, num ambiente que nos é completamente estranho."
Zega disse que a equipa decidiu fazer uma "engenharia reversa" da composição das amostras extraterrestres, construindo novos modelos que simulavam processos químicos complexos, aos quais as amostras seriam submetidas dentro de um disco protoplanetário.
"Estes modelos exigem uma convergência íntima de conhecimentos que abrangem os campos da ciência planetária, da ciência dos materiais, da ciência mineral e da microscopia, que foi o que nos propusemos a fazer", acrescentou Krishna Muralidharan, coautor do estudo e professor associado no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Arizona.
Com base nos dados que os autores conseguiram extrair das suas amostras, concluíram que a partícula foi formada numa região do disco protoplanetário não muito longe de onde a Terra está agora, que depois viajou para mais perto do Sol, onde estava cada vez mais quente, para depois inverter caminho e chegar a regiões mais frias, mais distantes do jovem Sol. Eventualmente, foi incorporada num asteroide, que mais tarde se partiu em pedaços. Alguns destes fragmentos foram capturados pela gravidade da Terra e caíram como meteoritos.
As amostras para este estudo foram retiradas do interior de um meteorito e são consideradas primitivas - por outras palavras, não foram afetadas por influências ambientais. Pensa-se que material tão primitivo não tenha sofrido nenhuma mudança significativa desde a sua formação há mais de 4,5 mil milhões de anos, o que é raro. Está ainda por determinar se objetos semelhantes existem no asteroide Bennu, amostras do qual serão trazidas para a Terra pela missão OSIRIS-REx em 2023. Até lá, os cientistas contam com amostras que caem para a Terra por meio de meteoritos.
"Este material é o nosso único registo do que aconteceu há 4,567 mil milhões de anos na nebulosa solar," disse Venkat Manga, coautor do artigo e professor assistente no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Arizona. "Ser capaz de olhar para a microestrutura da nossa amostra a diferentes escalas, até à escala de átomos individuais, é como abrir um livro."
Os autores disseram que estudos como este podem levar os cientistas planetários um passo mais perto de "um grande modelo da formação planetária" - uma compreensão detalhada do material que se move no disco, da sua composição e de como dá origem ao Sol e aos planetas.
Zega disse que radiotelescópios poderosos como o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), no Chile, permitem agora com que os astrónomos observem a evolução de sistemas estelares.
"Talvez daqui a algum tempo possamos examinar os discos em evolução, e então realmente comparar os nossos dados entre disciplinas e começar a responder a algumas destas grandes questões," disse Zega. "Será que algumas destas partículas de poeira se formam onde pensamos que se formaram no nosso próprio Sistema Solar? São comuns a todos os sistemas estelares? Devemos esperar o padrão que vemos no nosso Sistema Solar - planetas rochosos perto da estrela central e gigantes gasosos mais distantes - em todos os sistemas?
"É uma altura muito interessante para se ser cientista, pois estes campos estão a evoluir tão rapidamente," acrescentou. "É muito bom estar num sítio onde os cientistas podem formar colaborações interdisciplinares entre departamentos de astronomia, de ciência planetária e de ciência de materiais."
Este pedaço do meteorito Allende mostra a crosta típica de material que derreteu durante a entrada pela atmosfera da Terra. O grão estudado neste estudo foi obtido de um pedaço semelhante, e do interior do espécime, onde pouca ou nenhuma alteração teria ocorrido durante a queda do meteorito.
Crédito: H. Raab/Wikimedia Commons
Uma "fatia" do meteorito Allende revela várias partículas esféricas, conhecidas como côndrulos. A "ilha" de formato irregular à esquerda do centro é uma inclusão rica em cálcio e alumínio. O grão neste estudo foi isolado de uma inclusão do mesmo género.
Crédito: Shiny Things/Wikimedia Commons
Ilustração da história dinâmica que a partícula modelada pode ter sofrido durante a formação do Sistema Solar. A análise das estruturas a escalas microscópicas e a escalas atómicas e a combinação com novos modelos que simulam os complexos processos químicos no disco revelou a sua possível viagem ao longo de muitas órbitas em torno do Sol (caixas de ampliação em cima e à direita). Originário de não muito longe do local onde a Terra se formaria, o grão foi transportado para as regiões mais próximas e quentes e, por fim, levado para as regiões mais frias.
Crédito: Heather Roper/Zega et al.
