• Começa Com Um Estrondo

Remanescentes da formação do nosso sistema solar encontrados em nossa poeira interplanetária

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, mas as observações estão se atualizando. (ESO/L. Calçada)

Quando se trata do Sistema Solar, tudo o que nos resta são os sobreviventes. Por fim, isso pode ser suficiente para saber o que aconteceu há 4,5 bilhões de anos.

Sabemos como é o nosso Sistema Solar hoje, mas um dos maiores mistérios da ciência é como ele se formou e cresceu para ser do jeito que é agora. Existem algumas peças gerais que sabemos que devem ser verdadeiras a partir de uma variedade de observações astronômicas. Como todos os sistemas estelares, o nosso se formou a partir de uma nuvem de gás molecular em colapso. Como todas as estrelas com planetas, nossa jovem proto-estrela formou um disco protoplanetário que se transformou em planetas, asteroides e o cinturão de Kuiper. A partir de simulações, sabemos que muitos corpos foram ejetados, acumulados e absorvidos ao longo do tempo.

Mas 4,5 bilhões de anos depois, não temos vestígios de como era nosso Sistema Solar na época de seu nascimento. Na grande dança gravitacional que ocorre em nosso quintal cósmico, não podemos saber qual foi nossa história completa. Tudo o que nos resta são os sobreviventes. Mas, pela primeira vez, esses sobreviventes provavelmente incluem algo que sobrou do nosso amanhecer protoplanetário: partículas de poeira interplanetária . Pela primeira vez, podemos realmente aprender de onde viemos.

Lacunas, aglomerados, formas espirais e outras assimetrias mostram evidências de formação de planetas no disco protoplanetário em torno de Elias 2–27. A origem do material que os planetas se originam, no entanto, tem sido uma questão aberta e muito debatida no campo. (L. Pérez / B. Saxton / MPIfR / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NASA / JPL Caltech / WISE Team)

Quando olhamos para a poeira interestelar ou interplanetária em outros sistemas estelares, sabemos que existem três componentes principais para o material sólido que irá formar planetas:

1. silicatos amorfos,
2. compostos de carbono e
3. gelo.

Adoraríamos encontrar restos desses materiais aqui na Terra, mas não podemos encontrar nenhum cuja origem remonta ao jovem Sistema Solar. 4,5 bilhões de anos de geologia transformaram, metamorfosearam ou destruíram esses pretensos remanescentes terrestres. Simplificando, a Terra era simplesmente um ambiente muito hostil para esses materiais primordiais sobreviverem por tanto tempo.

O disco protoplanetário em torno da jovem estrela, HL Tauri, fotografado pelo ALMA. As lacunas no disco indicam a presença de novos planetas. Uma vez que elementos pesados ​​suficientes estejam presentes, alguns desses planetas podem ser rochosos. Este sistema, no entanto, já tem centenas de milhões de anos. (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO))

Mas nos confins mais distantes do Sistema Solar, essa poeira pré-solar poderia ter sobrevivido. Já voamos para as trilhas de cometas antes, coletando partículas de poeira interplanetária e analisando sua composição. Eles são conhecidos por conter grãos de silicatos amorfos em escalas minúsculas, submicrométricas, muitos dos quais parecem ser livres de carbono.

Há também alguma variedade nos isótopos relativos dos compostos encontrados em diferentes amostras dessa poeira interplanetária. Alguns deles têm proporções anômalas de certos elementos para outros, demonstrando que são poeira preservada que surgiu do meio interestelar. Mas há um grande debate sobre se esses grãos de silicato são anteriores ao Sistema Solar ou se eles se formaram na nebulosa solar através da condensação de gás de alta temperatura. Em um novo estudo liderado por Hope A. Ishii, a composição de partículas de poeira interplanetária é mapeada, pela primeira vez, com resolução em escala nanométrica.

Esta é uma micrografia eletrônica de uma partícula de poeira interplanetária de provável origem cometária. (Esperança Ishii)

Pela primeira vez, em uma enorme descoberta, sua equipe descobriu que alguns desses grãos de silicatos amorfos também contêm o mesmo tipo de carbono encontrado em sistemas protoplanetários. Isto é, eles contêm átomos de carbono que estão ligados em moléculas contendo hidrogênio; o que muitos cientistas classificam como carbono orgânico. O mapeamento detalhado que eles fizeram mostrou, pela primeira vez, que existem duas gerações de agregação de grãos presentes nessas partículas de poeira interplanetária:

1. uma geração precoce de agregados com silicatos amorfos envoltos por carbono orgânico, e
2. uma matriz de carbono orgânico de baixa densidade de última geração que encapsula os grãos de silicato amorfo.

(L) Imagem HAADF de seção delgada de U217B19. O retângulo indica a localização da região ampliada em (d) à direita. (R) A imagem HAADF da região contendo o hotspot rico em 15N mostra que corresponde a um carbono orgânico de alta densidade ng. A região mais escura marcada c é carbono orgânico de baixa densidade. (Ishii et al., PNAS (2018), Documento nº 17–20167)

A agregação de grãos é o processo chave em como os grãos de poeira crescem em planetesimais, o que eventualmente leva a protoplanetas e depois a planetas, luas e outros corpos rochosos e gelados que temos hoje. Mas o que é mais notável sobre esses grãos é que prova absolutamente que esses grãos de silicato não foram formados na nebulosa solar a partir da condensação de gás de alta temperatura, mas exige que eles sejam anteriores ao Sistema Solar.

A razão é simples: a matriz de carbono orgânico, que encapsula (e, portanto, agrega ao redor) os grãos amorfos de silicato, se decomporia termicamente se atingisse uma temperatura superior a cerca de 450 K. Em contraste, todas as porções da nebulosa solar atingem temperaturas superior a 1.300 K, indicando que essas partículas de poeira devem ter se formado na nuvem molecular pré-solar, ou no disco protoplanetário externo.

De acordo com simulações de formação de discos protoplanetários, aglomerados assimétricos de matéria se contraem em uma dimensão primeiro, onde então começam a girar. Esse plano é onde os planetas se formam, e muitos estágios intermediários foram observados diretamente por observatórios como o Hubble. (STScl OPO — C Burrows e J. Krist (STScl), K. Stabelfeldt (JPL) e NASA)

Se quisermos saber de onde veio o nosso Sistema Solar e como ele ficou do jeito que é hoje, precisamos absolutamente saber do que nos formamos. De acordo com seu novo artigo, a equipe de Ishii afirma o seguinte :

Nossas observações restringem a formação de grãos [de silicato] a ambientes frios e ricos em radiação, tornando um caso convincente de que esses grãos exóticos, exclusivos de uma classe relativamente obscura de material extraterrestre, estão sobrevivendo à poeira de ambientes interestelares (variáveis) e, portanto, ao edifício original. materiais de sistemas planetários.

Relação petrográfica entre carbono orgânico e silicatos amorfos em IDPs cometários. (A) Imagem de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF) de uma seção no meio de um único grão GEMS em U217B19 e (B) mapa de elemento de carbono correspondente mostrando bordas orgânicas em subgrãos dentro do grão GEMS. Imagem HAADF de uma seção no meio de um grão GEMS em LT39 e (D) mapa de elemento de carbono correspondente mostrando um aro de carbono orgânico de maior brilho cobrindo a superfície externa do GEMS. O aro de brilho mais alto corresponde ao carbono orgânico de densidade mais alta com razão C/O mais alta (Apêndice SI). (E) Imagem HAADF de nanoglóbulos ricos em PAH (ng) compostos por carbono orgânico de alta densidade e mapa de elementos (F). Vermelho, C; azul, Mg; verde, Fe; e amarelo, S. Um nanoglóbulo tem um manto GEMS parcial mostrado em Inset. (G) Imagem HAADF de um nanoglóbulo fortemente decorado com GEMS. (H) Imagem de campo claro de duas GEMS ricas em carbono, com uma à direita um toro com um interior de carbono orgânico e um exterior inorgânico. (Ishii et al., PNAS (2018), Documento nº 17–20167)

Pela primeira vez, temos evidências de duas gerações de agregação ocorrendo no material que daria origem à formação de planetas e outros corpos sólidos em nosso Sistema Solar. Nessa evidência, vemos sugestões de que esse material, formado fora da nebulosa solar que deu origem ao Sol, contém os primeiros materiais que mais tarde cairiam para dar origem aos mundos que observamos e habitamos hoje.

Nossa imagem ingênua de um disco que fica muito quente, fragmenta e esfria para formar planetas pode ser irremediavelmente simplificada. Em vez disso, aprendemos que pode ser realmente um material frio e externo que contém a chave do nosso quintal planetário. Se as conclusões de Ishii et al. papel resistam ao teste do tempo, podemos ter revolucionado nossa compreensão de como todos os sistemas planetários surgem.

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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