Começa Com Um Estrondo

Como foi quando o planeta Terra tomou forma?

O Sistema Solar se formou a partir de uma nuvem de gás, que deu origem a uma protoestrela, um disco protoplanetário e, eventualmente, as sementes do que se tornariam planetas. A coroação da história do nosso próprio Sistema Solar é a criação e formação da Terra exatamente como a temos hoje, o que pode não ter sido uma raridade cósmica tão especial quanto se pensava. (NASA / DANA BERRY)

O ‘impacto gigante’ que levou à Terra pode não ter sido tão gigante, afinal.

Há pouco mais de 4,5 bilhões de anos, nosso Sistema Solar começou a se formar. Em algum lugar da Via Láctea, uma grande nuvem de gás entrou em colapso, dando origem a milhares de novas estrelas e sistemas estelares, cada um único de todos os outros. Algumas estrelas eram muito mais massivas que o nosso Sol; a maioria era muito menor. Alguns vieram com várias estrelas em seus sistemas; cerca de metade das estrelas se formaram sozinhas, como a nossa.

Mas ao redor de praticamente todos eles, uma grande quantidade de matéria se aglutinou em um disco. Conhecidos como discos protoplanetários, esses seriam os pontos de partida para todos os planetas que se formaram em torno dessas estrelas. Com os avanços na tecnologia de telescópios que acompanharam as últimas décadas, começamos a criar imagens desses discos e seus detalhes em primeira mão. Pela primeira vez, estamos aprendendo como sistemas planetários como o nosso surgiram.

20 novos discos protoplanetários, conforme fotografados pela colaboração Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP), mostrando como são os sistemas planetários recém-formados. As lacunas no disco são provavelmente as localizações de planetas recém-formados. (S. M. ANDREWS ET AL. E A COLABORAÇÃO DSHARP, ARXIV: 1812.04040)

Em teoria, o processo de formação de planetas é incrivelmente simples. Sempre que você tem uma grande massa, como uma nuvem de gás, pode esperar que aconteçam as seguintes etapas:

a massa é atraída para uma região central,
onde um ou mais grandes aglomerados crescerão,
enquanto o gás circundante colapsa,
com uma dimensão colapsando primeiro (criando um disco),
e então as imperfeições no disco crescem,
atraindo preferencialmente a matéria e formando as sementes dos planetas.

Agora podemos olhar diretamente para esses discos protoplanetários e encontrar evidências de que essas sementes planetárias estão presentes desde muito cedo.

A estrela TW Hydrae é um análogo do Sol e de outras estrelas semelhantes ao Sol. Mesmo desde seus estágios iniciais, como fotografado aqui, já mostra evidências de novos planetas se formando em vários raios em seu disco protoplanetário. (S. ANDREWS (HARVARD-SMITHSONIAN CFA); B. SAXTON (NRAO / AUI / NSF); ALMA (ESO / NAOJ / NRAO))

Mas esses discos não durarão muito. Estamos olhando para escalas de tempo que normalmente duram apenas dezenas de milhões de anos para formar planetas, e isso se deve não apenas à gravitação, mas também ao fato de termos pelo menos uma estrela central brilhando.

A nuvem de gás que formará nossos planetas é feita de uma mistura de elementos: hidrogênio, hélio e todos os mais pesados, subindo na tabela periódica. Quando você está perto da estrela, os elementos mais leves são fáceis de explodir e evaporar. Em pouco tempo, um jovem sistema solar desenvolverá três regiões diferentes:

uma região central, onde apenas metais e minerais podem se condensar em planetas,
uma região intermediária, onde mundos rochosos e gigantes com compostos de carbono podem se formar,
e uma região externa, onde moléculas voláteis como água, amônia e metano podem persistir.

Um esquema de um disco protoplanetário, mostrando as Linhas Fuligem e Geada. Para uma estrela como o Sol, as estimativas colocam a Linha de Gelo em algo em torno de três vezes a distância inicial Terra-Sol, enquanto a Linha de Fuligem está significativamente mais próxima. A localização exata dessas linhas no passado do nosso Sistema Solar é difícil de definir. (NASA / JPL-CALTECH, ANOTAÇÕES DO INVADER XAN)

A fronteira entre as duas regiões internas é conhecida como Linha de Fuligem, onde estar dentro dela destruirá os compostos complexos de carbono conhecidos como hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. Da mesma forma, a fronteira entre as duas regiões externas é conhecida como Frost Line, onde estar dentro dela impedirá que você forme gelos sólidos e estáveis. Ambas as linhas são impulsionadas pelo calor da estrela e migrarão para fora ao longo do tempo.

Enquanto isso, esses aglomerados protoplanetários crescerão, acumularão matéria adicional e terão oportunidades de perturbar gravitacionalmente uns aos outros. Com o tempo, eles podem se fundir, interagir gravitacionalmente, ejetar um ao outro ou até mesmo lançar um ao outro no Sol. Quando executamos simulações que permitem que os planetas cresçam e evoluam, descobrimos uma história extraordinariamente caótica que é única para cada sistema solar.

Quando se trata de nosso próprio Sistema Solar, a história cósmica que se desenrolou não foi apenas espetacular, foi de muitas maneiras inesperada. Na região interna, é muito provável que tivéssemos um mundo relativamente grande presente desde o início, que possivelmente foi engolido pelo nosso Sol em nossa juventude cósmica. Não há nada que impeça a formação de um mundo gigante no interior do Sistema Solar; o fato de termos apenas os mundos rochosos próximos ao nosso Sol nos diz que algo mais provavelmente estava presente desde o início.

Os maiores planetas provavelmente se formaram a partir de sementes no início, e pode ter havido mais de quatro deles. Para obter a configuração atual dos gigantes gasosos, as simulações que executamos parecem mostrar que havia pelo menos um quinto planeta gigante que foi ejetado em algum momento há muito tempo.

No início do Sistema Solar, é muito razoável ter mais de quatro sementes para planetas gigantes. As simulações indicam que eles são capazes de migrar para dentro e para fora, e também de ejetar esses corpos. Quando chegamos ao presente, existem apenas quatro gigantes gasosos que sobrevivem. (KJ WALSH ET AL., NATURE 475, 206–209 (14 DE JULHO DE 2011))

O cinturão de asteróides, entre Marte e Júpiter, é muito provavelmente os remanescentes de nossa Linha de Gelo inicial. A fronteira entre onde você pode ter gelos estáveis deve ter levado a um grande número de corpos que eram uma mistura de gelo e rocha, onde os gelos sublimaram ao longo dos bilhões de anos que se passaram.

Enquanto isso, além do nosso último gigante gasoso, os planetesimais restantes dos estágios iniciais do Sistema Solar persistem. Embora possam se fundir, colidir, interagir e, ocasionalmente, serem arremessados para o interior do Sistema Solar a partir de estilingues gravitacionais, eles permanecem em grande parte além de Netuno, como uma relíquia dos estágios mais jovens do nosso Sistema Solar. De muitas maneiras, esses são os remanescentes primitivos do nascimento de nosso quintal cósmico.

Os planetesimais das porções do Sistema Solar além da Linha Frost chegaram à Terra e compunham a maior parte do que é o manto do nosso planeta hoje. Além de Netuno, esses planetesimais ainda persistem como objetos do Cinturão de Kuiper (e além) hoje, relativamente inalterados pelos 4,5 bilhões de anos que se passaram desde então. (NASA / GSFC, JORNADA DE BENNU — BOMBARDAMENTO PESADO)

Mas o lugar mais interessante de todos, para nossos propósitos, é o Sistema Solar interior. Pode ter havido um grande planeta interior que foi engolido, ou talvez os gigantes gasosos tenham ocupado as regiões internas e migrado para fora. De qualquer forma, algo atrasou a formação de planetas no Sistema Solar interno, permitindo que os quatro mundos que se formaram – Mercúrio, Vênus, Terra e Marte – fossem muito menores do que todos os outros.

De quaisquer elementos que restaram, e sabemos que eram principalmente pesados, pelas medições de densidade planetária que temos hoje, esses mundos rochosos se formaram. Cada um tem um núcleo feito de metais pesados, acompanhado por um manto menos denso feito de material que caiu no núcleo mais tarde, além da Linha Frost. Depois de apenas alguns milhões de anos desse tipo de evolução e formação, os planetas eram semelhantes em tamanho e órbita a como são hoje.

À medida que o Sistema Solar evolui, os materiais voláteis são evaporados, os planetas acumulam matéria, os planetesimais se fundem e as órbitas migram para configurações estáveis. Os planetas gigantes gasosos podem dominar gravitacionalmente a dinâmica do nosso Sistema Solar, mas os planetas rochosos internos são onde toda a bioquímica interessante está acontecendo, até onde sabemos. (ASTROMARK DO USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS)

Mas havia uma enorme diferença: nesses estágios iniciais, a Terra não tinha nossa Lua. Na verdade, Marte também não tinha nenhuma de suas luas. Para que isso ocorresse, algo precisava criá-los. Isso exigiria um impacto gigante de algum tipo, onde uma grande massa atingiu um desses primeiros mundos, levantando detritos que eventualmente se fundiram em uma ou mais luas.

Para a Terra, essa foi uma ideia que não foi levada muito a sério até irmos à Lua e investigarmos as rochas que encontramos na superfície lunar. Surpreendentemente, a Lua tem as mesmas proporções de isótopos estáveis que a Terra, embora sejam diferentes entre todos os outros planetas do Sistema Solar. Além disso, a rotação da Terra e a órbita da Lua ao redor da Terra têm orientações semelhantes, e a Lua tem um núcleo de ferro, todos os fatos que apontam para uma origem comum mútua para a Terra e a Lua.

A Hipótese do Impacto Gigante afirma que um corpo do tamanho de Marte colidiu com a Terra primitiva, com os detritos que não caíram de volta à Terra formando a Lua. Isso é conhecido como a Hipótese do Impacto Gigante e, embora seja uma narrativa convincente, pode ter apenas elementos da verdade, em vez de ser a história completa. É possível que todos os planetas rochosos com grandes luas os adquiram através de colisões como esta. (NASA/JPL-CALTECH)

Originalmente, a teoria foi chamada de Hipótese do Impacto Gigante, e foi teorizada como envolvendo uma colisão inicial entre a proto-Terra e um mundo do tamanho de Marte, chamado Theia. O sistema plutoniano, com suas cinco luas, e o sistema marciano, com suas duas luas (que provavelmente costumavam ser três), todos mostram evidências semelhantes de terem sido criados por impactos gigantes há muito tempo.

Mas agora, os cientistas estão percebendo problemas com a Hipótese do Impacto Gigante, originalmente formulada para criar a Lua da Terra. Em vez disso, parece que um impacto menor (mas ainda muito grande), de um objeto originado muito mais longe em nosso Sistema Solar, pode ter sido responsável pela criação de nossa Lua. Em vez do que chamamos de impacto gigante, uma colisão de alta energia com a proto-Terra poderia ter formado um disco de detritos ao redor do nosso mundo, criando um novo tipo de estrutura conhecida como sinestia.

Uma ilustração de como pode ser uma sinestia: um anel inchado que envolve um planeta após um impacto de grande momento angular de alta energia. (SARAH STEWART/UC DAVIS/NASA)

Existem quatro grandes propriedades de nossa Lua que qualquer teoria bem-sucedida para sua origem deve explicar: por que há apenas uma lua grande em vez de várias luas, por que as proporções de isótopos para os elementos são tão semelhantes entre a Terra e a Lua, por que os elementos moderadamente voláteis estão esgotados na Lua, e por que a Lua está inclinada em relação ao plano Terra-Sol.

As razões isotópicas são particularmente interessantes para a Hipótese do Impacto Gigante. As propriedades isotópicas semelhantes entre a Terra e a Lua sugerem que o impactor (Theia) e a Terra, se ambos fossem grandes, tiveram que ser formados no mesmo raio do Sol. Isso é possível, mas os modelos que formam uma Lua por meio desse mecanismo não fornecem as propriedades de momento angular corretas. Da mesma forma, colisões de pastagem com o momento angular certo dão origem a diferentes abundâncias isotópicas do que vemos.

Uma sinestia consistirá em uma mistura de material vaporizado da proto-Terra e do impactor, que forma uma grande lua dentro dela a partir da coalescência de luas. Este é um cenário geral capaz de criar uma única grande lua com as propriedades físicas e químicas que observamos que a nossa tem. (S. J. LOCK ET AL., J. GEOPHYS RESEARCH, 123, 4 (2018), P. 910-951)

É por isso a alternativa - uma sinestia - é tão atraente . Se você tiver uma colisão rápida e energética entre um corpo menor que é menos massivo e nossa proto-Terra, você formaria uma grande estrutura em forma de toro ao redor da Terra. Essa estrutura, chamada de sinestia, é feita de material vaporizado que se originou de uma mistura de proto-Terra e o objeto impactante.

Com o tempo, esses materiais se misturarão, formando muitas mini-luas (chamadas de luas) em pouco tempo, que podem se unir e gravitar, levando à Lua que observamos hoje. Enquanto isso, a maior parte do material na sinestia, particularmente a parte interna, cairá de volta à Terra. Em vez de um único impacto gigante planejado, agora podemos falar em termos de estruturas e cenários generalizados que dão origem a grandes luas como a nossa.

Em vez de um único impacto de um mundo massivo do tamanho de Marte no início do Sistema Solar, uma colisão de massa muito menor, mas ainda de alta energia, poderia ter dado origem à nossa Lua. Espera-se que colisões como essa sejam muito mais comuns e possam explicar melhor algumas das propriedades que vemos na Lua do que o cenário tradicional de Theia envolvendo um impacto gigante. (NASA/JPL-CALTECH)

Quase certamente houve uma colisão de alta energia com um objeto estranho fora de órbita que atingiu nossa jovem Terra nos estágios iniciais do Sistema Solar, e essa colisão foi necessária para dar origem à nossa Lua. Mas muito provavelmente era muito menor do que o tamanho de Marte, e quase certamente foi um ataque robusto, em vez de uma colisão de raspão. Em vez de uma nuvem de fragmentos de rocha, a estrutura que se formou foi um novo tipo de disco estendido e vaporizado conhecido como sinestia. E com o tempo, ele se estabeleceu para formar nossa Terra e Lua como as conhecemos hoje.

No final dos estágios iniciais do nosso Sistema Solar, era tão promissor quanto poderia ser para a vida. Com uma estrela central, três mundos rochosos ricos em atmosfera, os ingredientes crus para a vida, e com gigantes gasosos só existindo muito além, todas as peças estavam no lugar. Sabemos que tivemos sorte de os humanos surgirem. Mas com esse novo entendimento, também pensamos que a possibilidade de vida como a nossa já aconteceu milhões de vezes antes em toda a Via Láctea.

Leitura adicional sobre como era o Universo quando: