Estudo leva a nova teoria sobre passado turbulento de Vênus e Terra

Pesquisadores concluem que os planetas na parte interna de sistemas solares nasceram de repetidas colisões, em vez de impactos únicos

Concepção artística de dois objetos astronômicos enormes colidindo. Crédito: Nasa/JPL-Caltech

Usando aprendizado de máquina e simulações de impactos gigantes, pesquisadores do Laboratório Lunar e Planetário da Universidade do Arizona (EUA) descobriram que os planetas que residem nos sistemas solares internos provavelmente nasceram de repetidas colisões de impacto, desafiando os modelos convencionais de formação de planetas.

Essa formação – o processo pelo qual planetas bem definidos, redondos e distintos se formam a partir de uma nuvem turbulenta de asteroides e miniplanetas robustos – foi provavelmente ainda mais confusa e complicada do que a maioria dos cientistas gostaria de admitir, de acordo com a nova pesquisa.

Segundo a visão convencional, as colisões entre blocos de construção menores fazem com que eles grudem e, com o tempo, colisões repetidas agregam novo material ao planeta bebê em crescimento. Em vez disso, os autores do novo estudo propõem e demonstram evidências para um novo cenário de “batida e fuga”, no qual corpos pré-planetários passaram uma boa parte de sua jornada através do sistema solar interno colidindo e ricocheteando um no outro, antes de encontrar-se novamente mais tarde. Tendo sido retardados pela primeira colisão, eles teriam mais probabilidade de ficar juntos na próxima vez. Imagine um jogo de bilhar, com as bolas parando, em vez de jogar bolas de neve em um boneco de neve, e você entendeu.

Fusões sem tanta eficiência

A pesquisa foi divulgada em dois relatórios publicados na revista The Planetary Science Journal, um com foco em Vênus e a Terra e o outro, na Lua e na Terra. O ponto central de ambas as publicações, de acordo com a equipe do autor, liderada por Erik Asphaug, professor de ciências planetárias do Laboratório Lunar e Planetário, é o ponto amplamente desconhecido de que impactos gigantes não são as fusões eficientes que os cientistas acreditavam que fossem.

“Descobrimos que a maioria dos impactos gigantes, mesmo os relativamente ‘lentos’, são atropelados. Isso significa que, para dois planetas se fundirem, você geralmente precisa primeiro desacelerá-los em uma colisão de ‘bater e correr’”, disse Asphaug. “Pensar em impactos gigantes – por exemplo, a formação da Lua – como um evento único provavelmente está errado. O mais provável é que tenham ocorrido duas colisões consecutivas.”

Os planetas terrestres do Sistema Solar interno, mostrados em escala. De acordo com a teoria de ‘acreção em estágio avançado’, Marte e Mercúrio (em primeiro plano, à esquerda e à direita) são o que restou de uma população original de embriões em colisão, e Vênus e a Terra cresceram em uma série de impactos gigantes. Uma nova pesquisa enfoca a preponderância de colisões do tipo “batida e fuga” em impactos gigantes e mostra que a proto-Terra teria servido como uma “vanguarda”, desacelerando corpos do tamanho de planetas em batidas e fugas. Mas foi o proto-Vênus, na maioria das vezes, que acabou agregando-os, o que significa que era mais fácil para Vênus adquirir corpos do Sistema Solar externo. Crédito: Lsmpascal/Wikimedia Commons
Vanguarda para Vênus

Uma implicação é que Vênus e a Terra teriam experiências muito diferentes em seu crescimento como planetas, apesar de serem vizinhos imediatos no Sistema Solar interno. Nesse artigo, liderado por Alexandre Emsenhuber (que fez esse trabalho durante uma bolsa de pós-doutorado no laboratório de Asphaug e agora está na Ludwig Maximilian University, na Alemanha), a jovem Terra teria servido para desacelerar corpos planetários entrelaçados, tornando-os mais propensos a colidir com e aderir a Vênus.

“Achamos que durante a formação do Sistema Solar, a Terra primitiva agiu como uma vanguarda para Vênus”, disse Emsenhuber.

O Sistema Solar é o que os cientistas chamam de poço gravitacional, o conceito por trás de uma atração popular em exposições científicas. Os visitantes jogam uma moeda em um poço gravitacional em forma de funil e, em seguida, observam ela completar várias órbitas antes de cair no orifício central. Quanto mais próximo um planeta está do Sol, mais forte é a gravidade que ele experimenta. É por isso que os planetas internos do Sistema Solar em que esses estudos foram focados – Mercúrio, Vênus, Terra e Marte – orbitam o Sol mais rápido do que, digamos, Júpiter, Saturno e Netuno. Como resultado, quanto mais próximo um objeto se aventurar do Sol, maior é a probabilidade de ele permanecer lá.

Então, quando um planeta intruso atingia a Terra, era menos provável que ele aderisse à Terra; em vez disso, ele acabaria em Vênus, explicou Asphaug.

“A Terra atua como um escudo, proporcionando uma primeira parada contra o impacto desses planetas”, disse ele. “Muito provavelmente, um planeta que ricocheteia na Terra vai atingir Vênus e se fundir com ele.”

Diferenças até agora inexplicáveis

Emsenhuber usa a analogia de uma bola quicando escada abaixo para ilustrar a ideia do que impulsiona o efeito de vanguarda: um corpo vindo do Sistema Solar externo é como uma bola quicando escada abaixo, com cada salto representando uma colisão com outro corpo.

“Ao longo do caminho, a bola perde energia e você verá que ela sempre vai quicar para baixo, nunca para cima”, disse ele. “Por causa disso, o corpo não pode mais deixar o Sistema Solar interno. Você geralmente só desce as escadas, em direção a Vênus, e um corpo que colide com Vênus fica muito feliz em permanecer no Sistema Solar interno; então, em algum ponto ele vai bater em Vênus novamente.”

A Terra não tem essa vanguarda para desacelerar os planetas que vêm de fora. Isso leva a uma diferença entre os dois planetas de tamanhos semelhantes que as teorias convencionais não podem explicar, argumentam os autores.

Acredita-se que a Lua seja o resultado de um impacto gigante. De acordo com uma nova teoria, houve dois impactos gigantes consecutivos, separados por cerca de 1 milhão de anos, envolvendo um planeta denominado Theia, do tamanho de Marte, e a proto-Terra. Nesta imagem, a colisão proposta de batida e fuga é simulada em 3D, mostrada cerca de uma hora após o impacto. Uma vista em corte mostra os núcleos de ferro. Theia (ou a maior parte dela) mal escapa; então, uma colisão subsequente é provável. Crédito: A. Emsenhuber/Universidade de Berna/Universidade de Munique
Grande problema

“A ideia predominante é que realmente não importa se os planetas colidem e não se fundem imediatamente, porque eles vão se encontrar novamente em algum ponto e então se fundir”, disse Emsenhuber. “Mas não é isso que descobrimos. Descobrimos que eles acabam se tornando parte de Vênus com mais frequência, em vez de retornar à Terra. É mais fácil ir da Terra a Vênus do que o contrário.”

Para rastrear todas essas órbitas e colisões planetárias e, finalmente, suas fusões, a equipe usou o aprendizado de máquina a fim de obter modelos preditivos de simulações 3D de impactos gigantes. Os cientistas usaram então esses dados para computar rapidamente a evolução orbital, incluindo colisões de choque e fusão, para simular a formação de planetas terrestres ao longo de 100 milhões de anos. No segundo artigo, os autores propõem e demonstram seu cenário “batida-fuga-retorno” para a formação da Lua, reconhecendo os principais problemas com o modelo de impacto gigante padrão.

“O modelo padrão para a Lua requer uma colisão muito lenta, relativamente falando”, disse Asphaug, “e cria uma Lua que é composta principalmente do planeta impactante, não da proto-Terra. Isso é um grande problema, já que a Lua tem uma química isotópica quase idêntica à da Terra”.

No novo cenário, um protoplaneta do tamanho de Marte atinge a Terra, como no modelo padrão, mas é um pouco mais rápido para continuar. Ele retorna em cerca de 1 milhão de anos para um impacto gigante que se parece muito com o modelo padrão.

Composição mais complexa

“O impacto duplo mistura as coisas muito mais do que um único evento”, disse Asphaug, “o que poderia explicar a semelhança isotópica da Terra e da Lua, e também como a segunda, lenta colisão de fusão teria acontecido em primeiro lugar”.

Os pesquisadores acreditam que a assimetria resultante em como os planetas foram colocados juntos aponta o caminho para estudos futuros abordando a diversidade dos planetas terrestres. Por exemplo, não se entende como a Terra acabou com um campo magnético muito mais forte do que o de Vênus, ou por que Vênus não tem lua.

A nova pesquisa indica diferenças sistemáticas na dinâmica e composição, de acordo com Asphaug. “Em nossa opinião, a Terra teria agregado a maior parte de seu material a partir de colisões que foram de frente, ou então mais lentas do que as experimentadas por Vênus”, disse ele. “As colisões com a Terra que fossem mais oblíquas e de alta velocidade teriam preferencialmente terminado em Vênus.”

Isso criaria uma tendência em que, por exemplo, protoplanetas do Sistema Solar externo, em velocidade mais alta, teriam se agregado preferencialmente a Vênus em vez da Terra. Resumindo, Vênus poderia ser composto de um material mais difícil de ser captado pela Terra.

“Você poderia pensar que a Terra é composta mais de material do sistema externo porque está mais próxima do Sistema Solar externo do que Vênus. Mas, na verdade, com a Terra nesse papel de vanguarda, torna-se realmente mais provável que Vênus acumule o material do Sistema Solar externo”, disse Asphaug.

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