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set 22

Análise geoquímica revela que a Lua é formada pelo manto da proto-Terra realocado

https://source.wustl.edu/2016/09/chemistry-says-moon-proto-earths-mantle-relocated/

A grande colisão planetária: essa é uma impressão artística do impacto que criou a nossa Lua. Uma nova investigação sugere que o impacto foi ainda mais violento do que a imagem sugere. Créditos: Dana Berry/ National Geographic Magazine /SwRI

Medições de um elemento em rochas terrestres e lunares refutou hipótese principal para a origem da Lua.

Pequenas diferenças na segregação dos isótopos de potássio entre a Lua e a Terra estavam, até há pouco, escondidas fora dos limites de detecção das técnicas analíticas. Em 2015, no entanto, o geoquímico Kun Wang da Universidade de Washington juntamente com Stein Jacobsen, professor de geoquímica da Universidade de Harvard, desenvolveu uma técnica de análise destes isótopos que consegue atingir precisão dez vezes superior à do melhor dos métodos anteriores.

Agora, Wang e Jacobsen reportaram diferenças isotópicas entre as rochas lunares e terrestres que fornecem a primeira evidência experimental que pode discriminar entre os dois modelos principais para a origem da Lua.

No 1º modelo um impacto de menor energia deixa a proto-Terra e a Lua envoltas sob atmosfera de silicatos; no 2º modelo um impacto muito mais violento vaporiza o corpo que impactou (o proto-planeta chamado apelidado de Theia) e a maior parte da proto-Terra, expandindo-se para formar um enorme disco superfluido a partir do qual a Lua consequentemente se cristalizou.

O estudo isotópico, que suporta o 2o modelo de alta-energia, foi publicado na Nature.

Kun Wang, professor assistente de Ciências da Terra e Planetárias, alegou:

Os nossos resultados fornecem as primeiras evidências sólidas de que o impacto realmente (na sua maior parte) efetivamente vaporizou a Terra.

Uma crise isotópica

Em meados da década de 1970, dois grupos de astrofísicos propuseram, independentemente, que a Lua tinha sido formado pela colisão de raspão entre um corpo do tamanho de Marte (Theia) e a proto-Terra. A hipótese do “big splash” (impacto gigante), eventualmente se tornou a principal tese sobre a origem da Lua. O “grande impacto” explica muitas observações, como por exemplo o grande tamanho da Lua em relação à Terra e a velocidade de rotação da Terra e da Lua,

Em 2001, entretanto, um grupo de cientistas reportou que as composições isotópicas de uma variedade de elementos em rochas terrestres e lunares são quase idênticas. As análises de amostras trazidas de volta pelas missões Apollo na década de 1970 mostraram que a Lua tem as mesmas abundâncias dos três isótopos estáveis de oxigênio que a Terra.

Essas conclusões foram consideradas pelos cientistas como muito estranhas. Simulações numéricas computacionais do impacto previam que a maioria da matéria (60% a 80%) que coalesceu para formar a Lua veio do objeto impactante externo, ao invés da Terra. Mas corpos planetários que se formaram em diferentes partes do Sistema Solar têm geralmente composições isotópicas diferentes, tão diferentes que as assinaturas isotópicas servem como “impressões digitais” (assinaturas) para planetas e meteoritos originados de um mesmo corpo.

A probabilidade do corpo que colidiu com a proto-Terra ter por acaso a mesma assinatura isotópica que a Terra era considerada extremamente pequena.

Assim, a hipótese de “impacto gigante” ficou com um grande dilema. Explicava muitas características físicas do ‘sistema Terra x Lua’ mas não inteiramente a sua composição geoquímica. Os estudos da composição isotópica haviam criado uma “crise isotópica” para a hipótese.

No início, os cientistas pensavam que medições posteriores mais precisas iriam resolver essa crise. Contudo, medições mais acuradas dos isótopos de oxigênio, publicadas em 2016, só confirmaram que as composições isotópicas são praticamente indistinguíveis. Segundo Wang destacou:

Estas são as medições mais precisas que podemos fazer e ainda assim são idênticas.

Um “tapa”, um “murro” ou um “golpe”?

Wang prosseguiu:

Então, os cientistas decidiram mudar a hipótese de impacto gigante. O objetivo era encontrar uma maneira de construir a Lua principalmente com elementos originados da Terra, em vez de majoritariamente fornecidos pelo corpo impactante [Theia]. Existem muitos modelos, todo mundo está tentando inventar um, mas só dois deles têm sido mais influentes.

No modelo original do “impacto gigante”, a colisão derreteu uma parte da Terra e a totalidade do corpo impactante, atirando para fora uma fração do material derretido, como barro em uma roda de oleiro.

Um modelo proposto em 2007 [Equilibration in the aftermath of the lunar-forming giant impact] acrescenta uma atmosfera de vapor de silicato em redor da Terra e o disco lunar (o disco de magma, como resíduo do bólido impactante). A ideia é que o vapor de silicato permite a troca entre a Terra, o vapor e o material no disco, antes da Lua se condensar a partir do disco derretido.

Wang explicou:

Eles estão tentando explicar as semelhanças isotópicas pela adição desta atmosfera, mas ainda começam com um impacto de baixa energia como o modelo original.

Contudo, a troca de material através de uma atmosfera é um processo muito lento. Nunca teríamos tempo suficiente para o material se misturar antes de começar a cair de volta para a Terra.

Por isso, um outro modelo proposto em 2015 assume que o impacto foi extremamente violento, tão forte que o objeto impactante e o manto da Terra se vaporizaram e se misturaram para formar uma massa fundida densa/manto atmosférico sob a forma de vapor que se expandiu para preencher um espaço 500 vezes superior à Terra de hoje. À medida que esta atmosfera esfriava, a Lua se condensava.

A mistura completa desta ‘atmosfera de superfluido’ explica a composição isotópica idêntica da Terra e da Lua, diz Wang. O manto atmosférico era um “fluido supercrítico”, sem fases líquidas e gasosas distintas. Os ‘fluídos supercríticos’ podem passar através de sólidos como um gás e dissolver materiais como um líquido.

https://source.wustl.edu/2016/09/chemistry-says-moon-proto-earths-mantle-relocated/

Dois modelos recentes para a formação da Lua. No cenário 1 (topo – Pahlevan e Stevenson, 2007) ocorre a mudança através de uma atmosfera de silicatos. No cenário 2 (abaixo – Lock et al., 2016) existe uma esfera mais densa de superfluido, que levaram as previsões de diferentes frações de isótopos nas amostras de rochas lunares e terrestres (à direita). Crédito: Kun Wang

Por que o Potássio é decisivo?

O artigo publicado na Nature relata dados isotópicos de alta-precisão do potássio para uma amostra representativa de rochas lunares e terrestres. O potássio tem três isótopos estáveis, mas apenas dois deles, o potássio-41 e o potássio-39, são suficientemente abundantes para serem medidos com suficiente precisão para esse estudo.

Wang e Jacobsen examinaram sete rochas lunares obtidas por missões lunares diferentes e compararam as frações proporcionais de isótopos de potássio com as de oito rochas terrestres representativas do manto da Terra. Os pesquisadores descobriram que as rochas lunares eram enriquecidas com cerca de 0,4 partes por mil no isótopo mais pesado de potássio, potássio-41.

O único processo em alta temperatura que poderia separar os isótopos de potássio desta forma, explicou Wang, é uma condensação incompleta do potássio a partir da fase de vapor durante a formação da Lua. Em comparação com o isótopo mais leve, o isótopo mais pesado cairia, preferencialmente, para fora do vapor e teria se condensado.

Os cálculos mostram, no entanto, que se este processo tivesse acontecido sob um vácuo absoluto, tal cenário levaria a um enriquecimento de isótopos pesados de potássio nas amostras lunares na ordem das 100 partes por mil, muito maior do que o valor de 0,4 partes por mil encontrado por Wang e Jacobsen. Em contrapartida, uma pressão mais alta suprimiria o fracionamento, segundo Wang. Por esta razão, a dupla de cientistas estimou que a Lua se condensou em uma pressão superior a 10 bars, ou cerca de 10 vezes a pressão atmosférica da Terra ao nível do mar.

A descoberta de que as rochas lunares são enriquecidas com o isótopo mais pesado de potássio não favorece o modelo de atmosfera de silicato, que prevê que as rochas lunares conteriam menos do isótopo pesado do que as rochas terrestres, o oposto do que os cientistas descobriram.

Em vez disso, suporta o modelo de atmosfera do manto que prevê que as rochas lunares incluiriam mais deste isótopo mais pesado do que as rochas terrestres.

Assim, silenciosos durante bilhões de anos, os isótopos de potássio encontraram finalmente um porta voz e têm bastante para nos contar.

Fonte

Universidade de Washington em St. Louis: Chemistry says moon is proto-Earth’s mantle, relocated. Data confirm model in which impact pulverizes Earth like a sledgehammer hitting a watermelon.

._._.

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