A jornada de um grão de poeira através de um Sistema Solar recém-nascido

 Ilustração artística do início do sistema solar, em uma época em que nenhum planeta ainda havia se formado. Uma nuvem rodopiante de gás e poeira cercou o jovem sol. O corte através do chamado disco protoplanetário mostra sua estrutura tridimensional. CRÉDITO Heather Roper

Uma equipe de pesquisa 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 bilhões de anos. As descobertas fornecem insights sobre os processos fundamentais subjacentes à formação de sistemas planetários, muitos dos quais ainda estão envoltos em mistério. 

Para o estudo, a equipe desenvolveu um novo tipo de framework, que combina mecânica quântica e termodinâmica, para simular as condições às quais o grão foi exposto durante sua formação, quando o sistema solar era um disco giratório de gás e poeira conhecido como protoplanetário. disco ou nebulosa solar. Comparar as previsões do modelo com uma análise extremamente detalhada da composição química e estrutura cristalina da amostra, junto com um modelo de como a matéria foi transportada na nebulosa solar, revelou pistas sobre a jornada do grão e as condições ambientais que o moldaram ao longo do caminho . 

O grão analisado no estudo é uma das várias inclusões, conhecidas como inclusões ricas em cálcio-alumínio, ou CAIs, descobertas em uma amostra do meteorito Allende, que caiu sobre o estado mexicano de Chihuahua em 1969. Os CAIs são de especial interesse porque eles acredita-se que estejam entre os primeiros sólidos que se formaram no sistema solar há mais de 4,5 bilhões de anos. 

Semelhante a como os carimbos em um passaporte contam uma história sobre a jornada de um viajante e para ao longo do caminho, as estruturas em escala micro e atômica das amostras desbloqueiam um registro de suas histórias de formação, que foram controladas pelos ambientes coletivos aos quais foram expostas . 

“Até onde sabemos, nosso artigo é o primeiro a contar uma história de origem que oferece pistas sobre os processos prováveis que aconteceram na escala de distâncias astronômicas com o que vemos em nossa amostra na escala de distâncias atômicas”, disse Tom Zega , professor do Laboratório Lunar e Planetário da Universidade do Arizona e o primeiro autor do artigo, publicado no The Planetary Science Journal. 

Zega e sua equipe analisaram a composição das inclusões embutidas no meteorito usando microscópios eletrônicos de transmissão de varredura de resolução atômica de última geração – um no Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility, e seu microscópio irmão localizado na fábrica Hitachi em Hitachinaka, Japão. 

As inclusões consistem principalmente de tipos de minerais conhecidos como espinélio e perovskita, que também ocorrem em rochas na Terra e estão sendo estudados como materiais candidatos para aplicações como microeletrônica e fotovoltaica. 

Tipos semelhantes de sólidos ocorrem em outros tipos de meteoritos conhecidos como condritos carbonáceos, que são particularmente interessantes para os cientistas planetários, pois são conhecidos por serem sobras 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 equipe estudar a composição das estruturas cristalinas subjacentes em grande detalhe. Para a surpresa da equipe, alguns dos resultados estavam em desacordo com as teorias atuais sobre os processos físicos considerados ativos dentro dos discos protoplanetários, o que os levou a se aprofundar. 

“Nosso desafio é que não sabemos quais caminhos químicos levaram às origens dessas inclusões”, disse Zega. “A natureza é nosso béquer de laboratório, e esse experimento aconteceu bilhões de anos antes de nós existirmos, em um ambiente completamente estranho.” 

Zega disse que a equipe decidiu fazer uma “engenharia reversa” na composição das amostras extraterrestres, projetando novos modelos que simulavam processos químicos complexos, aos quais as amostras seriam submetidas dentro de um disco protoplanetário. 

“Esses modelos exigem uma convergência íntima de conhecimentos que abrangem os campos da ciência planetária, ciência dos materiais, ciência mineral e microscopia, que foi o que nos propusemos a fazer”, acrescentou Krishna Muralidharan, coautor do estudo e professor associado no UArizona Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. 

Com base nos dados que os autores conseguiram extrair de suas amostras, eles concluíram que a partícula formada em uma região do disco protoplanetário não muito longe de onde a Terra está agora, então fez uma jornada para mais perto do sol, onde estava cada vez mais quente, apenas para depois reverter o curso e se espalhar em partes mais frias, mais distantes do sol jovem. Eventualmente, ele foi incorporado a um asteróide, que mais tarde se partiu em pedaços. Algumas dessas peças foram capturadas pela gravidade da Terra e caíram como meteoritos. 

As amostras para este estudo foram retiradas do interior de um meteorito e são consideradas primitivas – em outras palavras, não são afetadas por influências ambientais. Acredita-se que esse material primitivo não tenha sofrido nenhuma mudança significativa desde que se formou há mais de 4,5 bilhões de anos, o que é raro. Se objetos semelhantes ocorrem no asteróide Bennu, amostras dos quais serão devolvidos à Terra pela missão OSIRIS-REx liderada pelo UArizona em 2023, ainda está para ser visto. Até então, os cientistas contam com amostras que caem na Terra por meio de meteoritos. 

“Este material é nosso único registro do que aconteceu há 4,567 bilhões de anos na nebulosa solar”, disse Venkat Manga, co-autor do artigo e professor assistente de pesquisa do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do UArizona. “Ser capaz de olhar para a microestrutura de nossa amostra em diferentes escalas, até o comprimento de átomos individuais, é como abrir um livro.” 

Os autores disseram que estudos como este poderiam trazer os cientistas planetários um passo mais perto de “um grande modelo de formação de planetas” – uma compreensão detalhada do material que se move ao redor do disco, do que ele é composto e como dá origem ao sol e os planetas. 

Radiotelescópios poderosos como o Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, ou ALMA, no Chile agora permitem que os astrônomos vejam os sistemas estelares conforme eles evoluem, disse Zega. 

“Talvez em algum ponto possamos examinar os discos em evolução e, então, poderemos realmente comparar nossos dados entre as disciplinas e começar a responder a algumas dessas questões realmente importantes”, disse Zega. “Essas partículas de poeira estão se formando onde pensamos que se formaram em nosso próprio sistema solar? São comuns a todos os sistemas estelares? Devemos esperar o padrão que vemos em nosso sistema solar – planetas rochosos próximos à estrela central e gigantes gasosos mais distantes – em todos os sistemas? 

“É um momento muito interessante para ser um cientista, quando esses campos estão evoluindo tão rapidamente”, acrescentou. “E é incrível estar em uma instituição onde os pesquisadores podem formar colaborações transdisciplinares entre os principais departamentos de astronomia, ciências planetárias e de materiais da mesma universidade.”

Fonte: Terra Rara