Pergunte a Ethan: Como sabemos a idade do Sistema Solar?

Impressão artística de uma jovem estrela cercada por um disco protoplanetário. Existem muitas propriedades desconhecidas sobre discos protoplanetários em torno de estrelas semelhantes ao Sol, incluindo a segregação elementar de vários tipos de átomos. (ESO/L. Calçada)



Todos nós já ouvimos o número: 4,5 bilhões de anos. Mas como sabemos e quão certos estamos de que a Terra e o Sol têm a mesma idade?


Bilhões de anos atrás, em algum canto esquecido da Via Láctea, uma nuvem molecular como muitas outras desmoronou para formar novas estrelas. Um deles se formou em relativo isolamento, coletando material em um disco protoplanetário ao seu redor e, eventualmente, formando nosso Sol, os oito planetas e o resto do nosso Sistema Solar. Hoje, os cientistas proclamam que o Sistema Solar tem 4,6 bilhões de anos, mais ou menos alguns milhões de anos. Mas como sabemos disso? E, digamos, a Terra e o Sol têm a mesma idade? Isso é o que nosso apoiador do Patreon , Denier, quer saber para o Ask Ethan desta semana:



Como sabemos a idade do nosso sistema solar? ... Eu tenho uma noção vaga sobre o conceito de datar o tempo decorrido desde que uma rocha era líquida, mas 4,5 bilhões de anos é aproximadamente quanto tempo atrás Theia atingiu a proto-Terra liquefazendo uma enorme quantidade de tudo. ... Como sabemos que estamos realmente datando o sistema solar e não apenas encontrando dezenas de maneiras de datar a colisão de Theia?



É uma ótima pergunta com nuances, mas a ciência está à altura do desafio. Aqui está a história.

Lacunas, aglomerados, formas espirais e outras assimetrias mostram evidências de formação de planetas no disco protoplanetário em torno de Elias 2–27. A idade dos vários componentes do sistema que acabarão se formando, no entanto, não é algo universalmente conhecido. (L. Pérez / B. Saxton / MPIfR / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NASA / JPL Caltech / WISE Team)



Sabemos bastante sobre a história do nosso Sistema Solar e como ele surgiu. Aprendemos muito observando a formação de outras estrelas, examinando regiões distantes de formação de estrelas, medindo discos protoplanetários, observando estrelas passarem por vários estágios em seus ciclos de vida etc. aqui em nosso próprio Sistema Solar, bilhões de anos após a formação do Sol e dos planetas, tudo o que nos resta são os sobreviventes.



Inicialmente, todas as estrelas se formam a partir de uma nebulosa pré-solar que atrai material, com uma grande região externa que permanece fria, onde se reúnem silicatos amorfos, compostos à base de carbono e gelos. Uma vez que a nebulosa pré-solar forma uma proto-estrela e depois uma estrela completa, esse material externo entra e começa a formar aglomerados maiores.

Com o tempo, esses aglomerados crescem e caem, onde eles interagem, se fundem, migram e potencialmente ejetam uns aos outros. Ao longo do período de centenas de milhares a milhões de anos, uma vez que você tem uma estrela, os planetas acabam se formando; isso é rápido em uma escala de tempo cósmica. Embora provavelmente houvesse muitos objetos intermediários, alguns milhões de anos se passaram, o Sistema Solar parecia bastante semelhante ao que temos hoje.



Mas pode ter havido algumas diferenças importantes. Pode ter havido um quinto gigante gasoso; os quatro gigantes gasosos que temos podem ter estado muito mais próximos do Sol, tendo migrado para fora; e talvez o mais importante, entre Vênus e Marte, provavelmente não havia um, mas dois mundos: uma proto-Terra e um mundo menor do tamanho de Marte chamado Theia. Muito mais tarde, talvez dezenas de milhões de anos após a formação dos outros planetas, a Terra e Theia colidiram.

A hipótese do impacto gigante afirma que um corpo do tamanho de Marte colidiu com a Terra primitiva, com os detritos que não caem de volta à Terra formando a Lua. A Terra e a Lua, como resultado, devem ser mais jovens que o restante do Sistema Solar. (NASA/JPL-Caltech)



Foi essa colisão que suspeitamos ter criado a Lua: chamamos esse evento de hipótese do impacto gigante. A semelhança das rochas lunares, recuperadas pela missão Apollo, com a composição da Terra, nos levou a suspeitar que a Lua se formou a partir da Terra. Os outros planetas rochosos, que suspeitamente carecem de grandes luas, provavelmente não tiveram um impacto tão grande em sua história passada.



Os mundos gigantes gasosos, com muito mais massa do que os outros, conseguiram reter o hidrogênio e o hélio (os elementos mais leves) que existiam quando o Sistema Solar estava se formando; os outros mundos tiveram a esmagadora maioria desses elementos destruídos. Com muita energia do Sol e pouca gravidade para segurar esses elementos de luz, o Sistema Solar começou a tomar forma como o conhecemos hoje.

Uma ilustração do jovem sistema solar Beta Pictoris, um tanto análogo ao nosso próprio Sistema Solar durante sua formação. Os mundos internos, a menos que tenham massa suficiente, não serão capazes de manter seu hidrogênio e hélio. (Avi M. Mandell, NASA)



Mas já se passaram bilhões de anos. Como sabemos a idade do Sistema Solar? A Terra tem a mesma idade dos outros planetas; temos uma maneira de dizer a diferença? E como qual é o número final para essa idade?

A resposta mais precisa, talvez surpreendentemente, vem da geofísica. E isso não significa necessariamente a física da Terra, mas sim a física de todos os tipos de rochas, minerais e corpos sólidos. Todos os objetos como este contêm uma variedade de elementos encontrados na tabela periódica, com diferentes densidades/composições correspondentes a onde no Sistema Solar, radialmente para fora do Sol, eles se formaram.



Densidades de vários corpos no Sistema Solar. Observe a relação entre densidade e distância do Sol. (Karim Khaidarov)

Isso implica que diferentes planetas, asteróides, luas, objetos do cinturão de Kuiper, etc., devem ser preferencialmente feitos de diferentes elementos. Os elementos mais pesados ​​da tabela periódica, por exemplo, deveriam ser encontrados preferencialmente em Mercúrio versus, digamos, Ceres, que deveria ser mais enriquecido do que, digamos, Plutão. Mas o que deveria ser universal, pelo menos você pensa assim, deveriam ser as proporções de diferentes isótopos dos mesmos elementos.

Quando o Sistema Solar se forma, ele deve ter, por exemplo, uma proporção específica de carbono-12 para carbono-13 e carbono-14. O carbono-14 tem uma meia-vida cosmicamente curta (de alguns milhares de anos), então o carbono-14 primordial deve desaparecer. Mas o carbono-12 e o carbono-13 são ambos estáveis, o que significa que onde quer que encontremos carbono no Sistema Solar, eles devem ter as mesmas proporções isotópicas. Isso vale para todos os elementos e isótopos estáveis ​​e instáveis ​​do Sistema Solar.

As abundâncias dos elementos no Universo hoje, conforme medido para o nosso Sistema Solar. (Usuário do Wikimedia Commons 28 bytes)

Como o Sistema Solar tem bilhões de anos, podemos olhar para elementos que possuem isótopos com meias-vidas de bilhões de anos. Com o tempo, ou seja, à medida que o Sistema Solar envelhece, esses isótopos decairão radioativamente e, observando as proporções dos produtos de decaimento em relação ao material inicial que ainda resta, podemos determinar quanto tempo se passou desde que esses objetos se formaram. Para este fim, os elementos mais confiáveis ​​são o urânio e o tório. Para o urânio, seus dois principais isótopos de ocorrência natural, U-238 e U-235, têm diferentes produtos de decaimento e diferentes taxas de decaimento, mas ambos estão na casa dos bilhões de anos. Para o tório, o radioativo Th-232 é o mais útil.

O mais notável, porém, é que a melhor evidência da idade da Terra e do Sistema Solar não vem da própria Terra!

Renderização artística da colisão espacial há 466 milhões de anos, que deu origem a muitos dos meteoritos que caem hoje. (Don Davis, Instituto de Pesquisa do Sudoeste)

Tivemos dezenas de meteoritos que pousaram na Terra com suas abundâncias isotópicas e elementares medidas e analisadas. A chave é olhando para o elemento chumbo : a proporção de Pb-207 para Pb-206 muda ao longo do tempo devido aos decaimentos de U-235 (que leva a Pb-207) e U-238 (que leva a Pb-206). Ao tratar a Terra e os meteoritos como parte do mesmo sistema em evolução – com a suposição de que existem as mesmas razões isotópicas iniciais – podemos então olhar para os minérios de chumbo mais antigos encontrados na Terra para calcular a idade da Terra, meteoritos e o Sol. Sistema.

É uma estimativa muito boa e nos dá um número de 4,54 bilhões de anos. Isso é bom para uma precisão superior a 1%, mas ainda é uma incerteza de algumas dezenas de milhões de anos.

A chuva de meteoros Leonid de 1997, vista do espaço. Quando os meteoros atingem o topo da atmosfera da Terra, eles queimam, criando as faixas brilhantes e flashes de luz que associamos às chuvas de meteoros. Ocasionalmente, uma rocha caindo será grande o suficiente para chegar à superfície, tornando-se um meteorito. (NASA / domínio público)

Mas podemos fazer melhor do que agregar tudo! Claro, isso dá uma ótima estimativa geral, mas achamos que, digamos, a Terra e a Lua são um pouco mais jovens que os meteoritos.

  • Nós podemos olhe para a mais velho meteoritos , ou os que mostram as proporções de chumbo mais extremas, para tentar estimar a idade do Sistema Solar: obtemos um número de cerca de 4,568 bilhões de anos se fizermos isso.
  • Podemos olhar para as rochas da Lua, que não sofreram o processamento geológico que as rochas da Terra têm. Eles datam de uma idade de 4,51 bilhões de anos .

E, finalmente, temos que verificar a nossa sanidade. Tudo isso foi baseado na suposição de que a proporção de U-238 para U-235 era a mesma em todo o Sistema Solar. Mas novas evidências nos últimos 10 anos mostrou que isso é provavelmente falso.

O efeito esperado de fundo nos detectores LUX, incluindo como a abundância de material radioativo decaiu ao longo do tempo. Os sinais vistos pelo LUX são consistentes apenas com o fundo. À medida que os elementos decaem ao longo do tempo, as abundâncias de reagentes e produtos mudam. (D.S. Akerib et al., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299)

Há lugares onde o U-235 é enriquecido em até 6% acima do valor típico. De acordo com Gregory Brennecka ,

Desde a década de 1950, ou mesmo antes disso, ninguém conseguiu detectar diferenças [nas proporções de urânio]. Agora podemos medir pequenas diferenças. ... Tem sido meio que um olho roxo para algumas pessoas em geocronologia. Para realmente dizer que sabemos a idade do sistema solar com base na idade da rocha, é essencial que todos concordem.

Mas há dois anos, um resolução foi descoberta : há outro elemento que desempenha um papel. O cúrio, um elemento mais pesado e com uma meia-vida mais curta do que o plutônio, decairá radioativamente em U-235, o que explica as variações de maneira primorosa. As incertezas que restam são de apenas alguns milhões de anos, no máximo.

Discos protoplanetários, com os quais todos os sistemas solares são formados, se fundirão em planetas ao longo do tempo, como mostra esta ilustração. É importante reconhecer que a estrela central, os planetas individuais e o material primordial remanescente (que, por exemplo, se tornará asteróides) podem ter variações de idade na ordem de dezenas de milhões de anos. (NAOJ)

Portanto, no geral, podemos dizer que o material sólido mais antigo que conhecemos no Sistema Solar tem 4,568 bilhões de anos, com uma incerteza de talvez apenas 1 milhão de anos. A Terra e a Lua são talvez 60 milhões de anos mais jovens, tendo alcançado sua forma final um pouco mais tarde. Além disso, não podemos aprender isso olhando para a própria Terra; as rochas que sobraram aqui são todas mais velhas que isso.

Mas o Sol, talvez surpreendentemente, pode ser um pouco mais antigo, já que sua formação deve ser anterior aos objetos sólidos que compõem os outros componentes do Sistema Solar. O Sol pode ser dezenas de milhões de anos mais velho que as rochas mais antigas do Sistema Solar, possivelmente chegando a 4,6 bilhões de anos. A chave, não importa o que aconteça, é procurar a resposta extraterrestre. Ironicamente, é a única maneira de saber com precisão a idade do nosso próprio planeta!


Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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