A crise da teoria clássica da origem da lua

Décadas depois que os cientistas parecem concordar com uma teoria, novas evidências do possível caminho do aparecimento da Lua parecem contradizê-la.

Impressão artística da sinestia , um objeto hipotético que consiste em uma pedra vaporizada que pode ter gerado a lua

Em 13 de dezembro de 1972, o astronauta da Apollo 17, Harrison Schmitt, aproximou-se de uma pedra no Mar da Tranquilidade lunar. "Esta pedra tem uma trilha que vai direto da colina", disse ele ao seu comandante, Eugene Cernan, apontando para as marcas deixadas pela pedra rolando ladeira abaixo. Cernan se inclinou para coletar as amostras e sugeriu que Schmitt imaginasse o que aconteceria se eles se colocassem no caminho dessa pedra antes que ela rolasse da encosta.

"Eu não gostaria de pensar sobre isso", disse Schmitt.

Os astronautas cortaram pedaços da lua de uma pedra. Então, usando o ancinho de Schmitt, ele raspou a superfície empoeirada, erguendo a pedra, mais tarde chamada troctólito 76536 do regolito, e fazendo-a entrar na história.

Esta pedra e seu irmão pedregoso contarão a história de como a lua inteira apareceu. Nesta história da criação, descrita em inúmeros livros didáticos e explicações de exposições de museus nas últimas quatro décadas, a Lua nasceu em uma colisão desastrosa entre uma Terra germinal e um mundo rochoso do tamanho de Marte. O segundo mundo foi nomeado Thea, em homenagem à deusa grega que deu à luz Selena, ou seja, A lua Thea atingiu a Terra com tanta velocidade e poder que os dois mundos derreteram. Os restos dos destroços de Thei esfriaram e endureceram, transformando-se em nosso companheiro de prata.

Medições modernas do troctolito 76536 e outras pedras da lua e de Marte levantaram dúvidas sobre essa história. Nos últimos cinco anos, uma enxurrada de pesquisas revelou um problema: a hipótese canônica de formação de choque é baseada em suposições que não correspondem aos fatos. Se Thea atingir a Terra e formar a Lua, a Lua deverá consistir no mesmo material que Thea. Mas a lua não se parece com Thea - ou com Marte. Até os átomos, parece quase exatamente como a Terra.


Astronauta investiga pedras na lua

Tendo encontrado essa discrepância, os pesquisadores da Lua começaram a procurar novas idéias para entender como elas apareciam. A solução mais óbvia pode ser a mais simples, embora crie outros problemas para entender os estágios iniciais do sistema solar: talvez Thea tenha formado a lua, mas Thea consistisse de material quase idêntico à Terra. A segunda possibilidade - o processo de colisão misturava tudo bem, pedaços e líquidos uniformemente distribuídos, como massa para panquecas. Isso poderia acontecer em uma colisão de energia extremamente alta ou em uma série de colisões que geraram várias luas que se juntaram mais tarde. A terceira explicação lança dúvidas sobre o que sabemos sobre os planetas. É possível que a Terra e a Lua tenham passado por estranhas metamorfoses e tenham feito movimentos incomuns em órbita, o que mudou drasticamente sua rotação e seu futuro.

Quatro maneiras de criar a lua

Com o surgimento de problemas na teoria básica da aparência da lua, os cientistas lançaram novas teorias sobre sua aparência.

Modelo de Formação de Impacto

Essa teoria clássica, que apareceu na década de 1970, afirma que uma calçada do tamanho de Marte, Thea, estava martelando a jovem Terra. Após o impacto, um disco de detritos apareceu, que mais tarde se uniu à lua. Mas novos estudos descobriram um conflito: simulações em computador sugerem que a lua deve consistir em material semelhante ao material de Thea, e um estudo geoquímico da lua sugere que ele consiste em material semelhante à terra.

Synaestia

Talvez Thea tenha atingido a Terra com força suficiente para os dois objetos evaporarem e formarem uma nova estrutura cósmica, sinestia. Uma nuvem rotativa de detritos quentes poderia misturar completamente os materiais Thei e Earth e criar um sistema Terra / Lua com geoquímica semelhante.

Pequenas luas

É possível que, em vez de um golpe sério, tenham ocorrido muitos relativamente pequenos, cada um dos quais criou a lua. Nesse modelo, cada colisão com um objeto do tamanho da lua criava um disco de detritos, que gradualmente se juntavam em uma pequena lua. Então, o próximo golpe adicionou detritos e, no final, eles se combinaram em uma grande lua.

Choque de gêmeos

Talvez a alternativa mais simples seja aquela em que Thea consiste no mesmo material que a Terra. Mas essa suposição é contrária à maioria de nossas idéias sobre a formação de sistemas planetários.

* * *

Para entender o que poderia acontecer no dia mais memorável da Terra, você precisa entender a juventude do sistema solar. Há quatro bilhões e meio de anos, o sol estava cercado por uma nuvem quente de detritos, como um donut. Os elementos gerados nas entranhas da estrela se moviam ao redor do Sol recém-formado, esfriando e depois das épocas, combinando - em um processo que ainda não está claro para nós - em pedaços, depois em planetesimais , em planetas cada vez maiores. Esses corpos rochosos colidiram ativa e violentamente, vaporizando-se. Foi nesses difíceis bilhar infernais que a Terra e a Lua apareceram.

Para obter a Lua hoje, com seu tamanho, rotação e velocidade de fuga da Terra, de acordo com nossos melhores modelos de computador, é necessário que um corpo do tamanho de Marte colide com a Terra. Qualquer coisa maior ou muito menor levaria ao surgimento de um sistema muito mais parecido com um grande momento angular. Um corpo maior também jogaria muito ferro na órbita da Terra e criaria uma lua mais rica em ferro que a nossa.

Um momento angular é uma quantidade que descreve o movimento e a massa de um objeto em rotação ou um sistema de objetos em rotação: uma Terra em rotação, uma Lua em rotação, orbitando uma Terra em rotação e assim por diante. O momento do impulso é sempre preservado, ou seja, só pode ser adquirido ou perdido com a intervenção de uma terceira força.

Os primeiros estudos geoquímicos do troctolito 76536 e outras pedras apoiaram esta história. Eles mostraram que as pedras lunares deveriam ter surgido no oceano do magma lunar, que só pode ser criado pela formação de impacto. O troctólito cairia no mar derretido como um iceberg se afastando da Antártida. Com base em limitações físicas, os cientistas alegaram que a lua consiste nos restos de Thea. Mas há um problema.

Voltar ao início do sistema solar. Após a colisão e a evaporação dos mundos pedregosos, seus conteúdos foram misturados e, eventualmente, se acalmaram em certas áreas do espaço. Mais perto do sol, onde é mais quente, os elementos leves têm maior probabilidade de evaporar, deixando um excesso de isótopos pesados ​​(variantes de elementos contendo nêutrons adicionais). Mais longe do sol, as pedras conseguiram reter mais água e isótopos leves. Portanto, os cientistas podem estudar a mistura de isótopos de um objeto e determinar de que parte do sistema solar ele veio, assim como a ênfase dá a terra natal da pessoa.


Sarah Stewart, Planetologista da Universidade da Califórnia, Davis e seu aluno Simon Locke, da Universidade de Harvard

Essas diferenças são tão óbvias que são usadas para classificar planetas e tipos de meteoritos. Marte, por exemplo, é tão diferente da Terra que seus meteoritos podem ser determinados simplesmente medindo as proporções de três isótopos de oxigênio diferentes.

Em 2001, usando tecnologias avançadas de espectrometria de massa, os cientistas suíços mediram novamente o troctolito 76536 e outras 30 amostras lunares. Eles descobriram que seus isótopos de oxigênio eram indistinguíveis dos terrestres. Desde então, os geoquímicos estudam titânio, tungstênio, cromo, rubídio, potássio e outros metais raros da Terra e da Lua e, em geral, tudo parece o mesmo.

Isso é uma má notícia para Thei. Se Marte é tão obviamente diferente da Terra, Thea - e, portanto, a lua - também deve ser diferente. Se são iguais, significa que a lua deveria ter se formado a partir dos fragmentos derretidos da Terra. Pedras de Apolo contradizem o que a física diz.

"O modelo canônico está em uma crise séria", diz Sarah Stuart, cientista planetária da Universidade da Califórnia, Davis. "Ela ainda não foi morta, mas no momento não está trabalhando".

* * *

Stuart tentou conciliar as limitações físicas - a necessidade de um corpo em colisão de um certo tamanho, movendo-se a uma certa velocidade - com novas evidências geoquímicas. Em 2012, ela e Matija uk, atualmente trabalhando no SETI, propuseram um novo modelo físico para a formação da lua. Eles afirmam que o início da Terra girou rapidamente como um dervixe , fazendo uma revolução em duas a três horas quando Thea colidiu com ele. A colisão deveria ter levado ao aparecimento de um disco ao redor da Terra, semelhante aos anéis de Saturno - mas teria sobrevivido por mais de 24 horas. Como resultado, ele esfriaria e solidificaria, formando a lua.

Os supercomputadores não são poderosos o suficiente para simular completamente esse processo, mas mostraram que uma concha colidindo com um mundo em rápida rotação pode cortar um pedaço decente da Terra, destruir a maioria de Thei e coletar desses fragmentos a Lua e a Terra com conteúdos isotópicos semelhantes. É como jogar um pedaço de barro que ainda não endureceu na roda de oleiro em rotação rápida.

Mas, para que a explicação da Terra em rotação rápida funcione, é necessário que algo mais diminua sua rotação até hoje. No trabalho de 2012, Stuart e Chuck argumentaram que, com certas interações com a ressonância orbital, a Terra poderia transmitir o momento angular ao Sol. Mais tarde, Jack Widd, do MTI, propôs vários cenários diferentes de perda de momento angular pelo sistema Terra / Lua.

Mas nenhuma das explicações foi satisfatória o suficiente. Stewart diz que os modelos de 2012 não poderiam explicar a órbita ou a composição química da lua. Então, no ano passado, Simon Locke, um estudante de graduação da Universidade de Harvard que estudou com Stuart, propôs um modelo atualizado que propunha uma estrutura planetária anteriormente inexplorada.

Nesta história, todas as partículas da Terra e Tei evaporaram e formaram uma nuvem inchada na forma de uma rosquinha grossa. A nuvem girou tão rápido que atingiu o limite de corotação [limite de co-rotação]. Nesse estado, na borda externa da nuvem, as pedras evaporadas giravam tão rápido que a nuvem adquiriu uma nova estrutura na qual um disco espesso gira em torno da região interna. O que é importante: o disco não foi separado da região central, como os anéis foram separados de Saturno e como os discos foram separados nos modelos de formação da lua após a colisão.


Sinestia poderia consistir em uma massa de pedra vaporizada semelhante a um donut em torno de um planeta rochoso

As condições nessa estrutura são infernais à impossibilidade; não há superfície; ao contrário, há nuvens de pedra derretida e gotas de pedra derretida se formam em cada região da nuvem. A lua cresceu dentro deste par de gotículas até o vapor esfriar e deixar o sistema Terra / Lua para trás.

Dadas as características incomuns da estrutura, Lock e Stuart decidiram que merecia um novo nome. Eles criaram várias versões, após as quais escolheram sinestia, usando o prefixo grego que significa pecado "juntos", e a deusa Hestia , a deusa da lareira, saúde e arquitetura. Stuart diz que a palavra significa "estrutura unida".

“Esses corpos não são o que você pensa à primeira vista. Eles não têm a aparência que você esperava ”, diz ela.

Em maio, Locke e Stewart publicaram trabalhos sobre a física das sinestés; seu trabalho sobre a origem da lua a partir da serpente ainda está sendo avaliado por especialistas. Eles apresentaram esse trabalho em conferências de planetólogos no inverno e na primavera e dizem que seus colegas ficaram intrigados, mas não convencidos por essa idéia. Talvez porque as serpentes permaneçam apenas uma idéia; ao contrário de planetas com anéis, que são muitos em nosso sistema solar, e discos protoplanetários, que são muitos em todo o Universo, ninguém nunca viu uma serpente.

"Mas esta é uma maneira particularmente interessante que pode explicar as características da nossa lua e nos ajudar a superar a dificuldade com o nosso modelo inativo", diz Locke.

* * *

Entre os satélites naturais do sistema solar, a lua se destaca por sua solidão. Mercúrio e Vênus não têm satélites naturais, principalmente por causa de sua proximidade com o Sol, cuja influência gravitacional tornaria as órbitas de tais luas instáveis. Marte tem minúsculos Phobos e Deimos; alguns acreditam que estes são asteróides capturados, enquanto outros acreditam que se formaram após colisões de corpos com Marte. Gigantes gasosos estão simplesmente cheios de luas, algumas das quais são rochosas, outras são água, outras são misturadas.

Em contraste com essas luas, o satélite da Terra se destaca por seu tamanho e massa. A massa da lua é de cerca de 1% da massa da Terra, enquanto a massa total dos satélites dos planetas externos não excede um décimo da massa de seus pais. Mais importante, a Lua é responsável por 80% do momento angular do sistema Terra / Lua, ou seja, por 80% do movimento de todo o sistema. Nos planetas externos, esse número não excede 1%.

Mas a lua nem sempre carregava uma carga dessas. A face da lua demonstra que foi bombardeada por toda a vida; por que devemos assumir que apenas uma pedra a esculpiu da terra? É possível que muitas colisões tenham criado a lua, diz Raluca Rufu, planetologista do Instituto Wisemann de Ciência em Israel.

Em um artigo publicado neste inverno, ela afirma que a lua não apareceu na Terra de uma só vez. Esta é uma coleção criada por mil cortes - ou pelo menos uma dúzia, de acordo com suas simulações. As conchas que voam de diferentes ângulos e em velocidades diferentes podem atingir a Terra e formar discos que se acumulam em pequenas luas, migalhas menores em tamanho que a lua atual. Interações entre pequenas luas levaram a suas associações, que formaram a lua de hoje.


Simulação por computador: duas pequenas luas se fundem

Os planetologistas receberam bem seu trabalho no ano passado. Robin Kanap, especialista em lua no Instituto de Pesquisa Southwest e um dos primeiros autores da teoria da formação da lua, disse que vale a pena considerar. No entanto, são necessárias verificações adicionais. Rufu não tem certeza se as pequenas luas se fixariam em sua órbita como a Lua, sempre se virando para nós de um lado; Nesse caso, ela não tem certeza de como eles se uniriam. "É isso que agora estamos tentando descobrir", disse Rufu.

Enquanto isso, outros se voltaram para outra explicação para a semelhança da Terra e da Lua, com uma resposta muito simples. Cobras, luas pequenas, novos modelos físicos - tudo isso é discutível. É possível que a Lua seja muito semelhante à Terra, porque Thea também era semelhante a ela.

* * *

A Lua não é o único objeto no Sistema Solar que se assemelha à Terra. As pedras do troctólito 76536 têm a mesma proporção de isótopos de oxigênio que as pedras da Terra e o mesmo grupo de asteróides chamados condritos de enstatita . A combinação de isótopos de oxigênio nesses asteróides é muito semelhante à terrestre, de acordo com Miriam Telas, uma cosmoquímica que estuda meteoritos no Instituto Científico. Carnegie em Washington. "Um dos argumentos é que eles se formaram em áreas mais quentes do disco perto do Sol", diz ela. Eles provavelmente se formaram perto do local onde a Terra foi formada.

Algumas dessas pedras formaram a Terra, outras poderiam formar o Thea. Os condritos de entstita são materiais detríticos que nunca se juntaram para criar o manto, o núcleo e o planeta completo.

Em janeiro, Nicholas Daufas, geofísico da Universidade de Chicago, afirmou que a maioria das pedras que haviam se fundido na Terra eram meteoritos do tipo enstatito. Ele escreveu que tudo o que foi formado na mesma região deveria consistir deles. A criação dos planetas veio daqueles materiais previamente misturados que encontramos agora na lua e na terra; eles parecem iguais porque são a mesma coisa. "O corpo gigante que caiu e deu à luz a lua provavelmente tinha uma composição isotópica perto da terra", escreveu Daufas.

David Stevenson, cientista planetário do Instituto de Tecnologia da Califórnia, que estuda a origem da lua desde que a hipótese de Thea foi introduzida pela primeira vez em 1974, diz que considera este trabalho a contribuição mais importante para o debate do ano passado e argumenta que trata da questão com com os quais os geoquímicos tentam lidar há décadas.


Nicholas Daufas segura um pedaço de condrito enstatito, um asteróide que pode consistir em material semelhante ao que formou a Terra

“A história dele é crível. É uma história complicada sobre como olhar para os vários elementos encontrados na Terra ”, disse Stevenson. "E então você pode continuar a história de uma sequência específica de eventos que formaram a Terra, na qual os condritos enstatitos desempenham um grande papel".

Mas até agora nem todos acreditam nisso. Há dúvidas sobre o número de isótopos de elementos como o tungstênio, diz Stewart. O tungstênio-182 é filha do háfnio-182, portanto, a proporção da quantidade de tungstênio por háfnio funciona como um relógio e determina a idade de uma pedra específica. Se houver mais tungstênio-182 em uma pedra do que em outra, pode-se dizer com segurança que a pedra com predominância de tungstênio se formou anteriormente. Mas as medidas mais precisas disponíveis mostram que a proporção de tungstênio e háfnio é a mesma para a Terra e a Lua. "Seria uma coincidência muito bem-sucedida se dois corpos tivessem as mesmas composições", conclui Daufas.

* * *

Compreender a Lua - nosso parceiro constante, a irmã de prata, o objetivo de sonhadores e pesquisadores de tempos imemoriais - é interessante por si só. Mas a história de sua origem e a história de pedras como o troctólito 76536 podem se tornar um capítulo de um livro muito maior.

“Vejo isso como uma janela para uma pergunta mais geral: o que aconteceu durante a formação dos planetas semelhantes à Terra? Disse Stevenson. "Ninguém respondeu a ele ainda."

Em busca de uma resposta, o entendimento da sinestia pode ajudar; Locke e Stewart acreditam que as sinestes no início do Sistema Solar poderiam se formar muito rapidamente quando os protoplanetas colidissem e derretessem. Muitos corpos rochosos poderiam inicialmente ser um halo de vapor espesso, então entender a evolução da sinestia pode ajudar os cientistas a entender como a lua e outros mundos semelhantes à Terra evoluíram.

Obviamente, coletar mais amostras, especialmente dos mantos de ambos os corpos, também ajudará, pois os geoquímicos terão mais dados para trabalhar. Eles serão capazes de dizer se o conteúdo de oxigênio armazenado nas profundezas da Terra é retido com profundidade ou se os três isótopos comuns de oxigênio prevalecem um sobre o outro em diferentes áreas.

"Quando dizemos que a Terra e a Lua são muito semelhantes em termos dos três isótopos de oxigênio, assumimos que realmente sabemos o que é a Terra e o que é a Lua", diz Stevenson.



Novos detalhes na teoria da origem do sistema solar, geralmente baseados em simulações complexas de computador, ajudam a entender onde os planetas nasceram e para onde se moveram. Os cientistas estão cada vez mais dizendo que Marte não vai nos contar essa história, pois ela não poderia ter se formado na mesma parte do sistema solar em que a Terra, enstatites e Thea apareceram. Stevenson diz que Marte não precisa mais ser usado como um barômetro de planetas rochosos.

Os especialistas da Lua concordam que as melhores respostas podem ser encontradas em Vênus, um planeta mais semelhante à Terra do que outros. Em sua juventude, ela poderia ter a lua, que se perdeu mais tarde; poderia ser muito parecido com a Terra, ou diferente. “Se pudéssemos obter uma pedrinha de Vênus, seria muito simples respondermos à pergunta sobre a origem da lua. Mas, infelizmente, isso não está na lista de prioridades ”, diz Locke.

A falta de amostras de Vênus e de laboratórios capazes de verificar as pressões e temperaturas inimagináveis ​​no centro da colisão deixa os especialistas da Lua inventar novos modelos - e revisar a história original da Lua.