Pergunte a Ethan: Como conhecemos a era do sistema solar?
um disco protoplanetário. Há muitas propriedades desconhecidas sobre os discos protoplanetários ao redor de estrelas semelhantes ao Sol, incluindo a segregação elementar de vários tipos de átomos. ESO/L. Calçada
Bilhões de anos atrás, em algum canto esquecido da Via Láctea, uma nuvem molecular como muitas outras desabou para formar novas estrelas. Uma delas formou-se em relativo isolamento, recolhendo material num disco protoplanetário ao seu redor, e eventualmente formando o nosso Sol, os oito planetas, e o resto do nosso Sistema Solar. Hoje, os cientistas proclamam que o Sistema Solar tem 4,6 bilhões de anos, mais ou menos alguns milhões de anos. Mas como é que nós sabemos isso? E a Terra e o Sol têm, digamos, a mesma idade? É isso que o nosso apoiante de Patreon, Denier, quer saber para esta semana Ask Ethan:
Como é que sabemos a idade do nosso sistema solar? Eu tenho uma noção vaga do conceito de datar o tempo decorrido desde que uma rocha era líquida, mas 4,5 bilhões de anos é aproximadamente quanto tempo atrás Theia atingiu a proto-Terra liquefazendo uma quantidade maciça de tudo. Como sabemos que estamos realmente datando o sistema solar e não apenas encontrando dezenas de maneiras de datar a colisão de Theia?
É uma grande questão, matizada, mas a ciência está à altura do desafio. Eis a história.
mostram evidência de formação de planeta no disco protoplanetário ao redor de Elias 2-27. Quão antigos são os vários componentes do sistema que vão acabar se formando, no entanto, não é algo que seja universalmente conhecido. L. Pérez / B. Saxton / MPIfR / NRAO / AUI / NSF / ALMA / ESO / NAOJ / NASA / JPL Caltech / WISE Team
Sabemos muito sobre a história do nosso Sistema Solar e como ele veio a ser. Há tanto que aprendemos observando a formação de outras estrelas, examinando regiões distantes de formação de estrelas, medindo discos protoplanetários, observando estrelas passando por vários estágios em seus ciclos de vida, etc. Mas a forma como cada sistema evolui é única, e aqui em nosso próprio Sistema Solar, bilhões de anos após o Sol e planetas se formarem, tudo o que nos resta são os sobreviventes.
Inicialmente, todas as estrelas se formam a partir de uma nebulosa pré-solar que puxa material para dentro, com uma grande região externa que permanece fria, onde silicatos amorfos, compostos à base de carbono e gelos se juntam. Quando a nebulosa pré-solar forma uma proto-estrela e depois uma estrela completa, esse material externo entra e começa a formar tufos maiores.
Todos os anos, esses tufos crescem e caem, onde interagem, se fundem, migram e potencialmente se ejetam uns aos outros. Ao longo do tempo de centenas de milhares a milhões de anos, uma vez que você tem uma estrela, os planetas acabam se formando; isto é rápido em uma escala de tempo cósmica. Embora houvesse provavelmente muitos objetos intermediários, com o tempo já passaram alguns milhões de anos, o Sistema Solar parecia muito parecido com o que temos hoje.
Mas pode ter havido algumas diferenças importantes. Pode ter havido um quinto gigante do gás; os quatro gigantes do gás que temos podem ter estado muito mais próximos do Sol, tendo migrado para fora; e talvez o mais importante, entre Vênus e Marte, provavelmente não havia um mas dois mundos: um proto-Terra e um mundo menor, do tamanho de Marte, chamado Teia. Muito mais tarde, talvez dezenas de milhões de anos após a formação dos outros planetas, Terra e Teia colidiram.
O corpo do tamanho de Marte colidiu com a Terra primitiva, com os detritos que não caem de volta à Terra, formando a Lua. A Terra e a Lua, como resultado, devem ser mais jovens do que o resto do Sistema Solar. NASA/JPL-Caltech
Foi esta colisão que suspeitamos ter criado a Lua: chamamos a este evento a hipótese de impacto gigante. A semelhança das rochas lunares, tal como recuperadas pela missão Apollo, com a composição da Terra, levou-nos a suspeitar que a Lua se formou a partir da Terra. Os outros planetas rochosos, que desconfiadamente carecem de grandes luas, provavelmente não tiveram um impacto tão grande na sua história passada.
Os mundos gigantes do gás, tendo muito mais massa que os outros, foram capazes de se agarrar ao hidrogénio e ao hélio (os elementos mais leves) que existiam quando o Sistema Solar se estava a formar; os outros mundos tiveram a esmagadora maioria desses elementos rebentados. Com demasiada energia do Sol e pouca gravidade para se agarrar a esses elementos leves, o Sistema Solar começou a tomar forma como o conhecemos hoje.
Pictoris, algo análogo ao nosso próprio Sistema Solar durante a sua formação. Os mundos internos, a menos que sejam suficientemente maciços, não serão capazes de se agarrar ao seu hidrogênio e hélio. Avi M. Mandell, NASA
Mas já se passaram bilhões de anos. Como sabemos qual é a idade do Sistema Solar? Será que a Terra tem a mesma idade que os outros planetas; temos uma maneira de saber a diferença? E como qual é o número final para essa idade?
A resposta mais precisa, talvez surpreendentemente, vem da geofísica. E isso não significa necessariamente “a física da Terra”, mas sim a física de todos os tipos de rochas, minerais e corpos sólidos. Todos os objetos como este contêm uma variedade dos elementos encontrados na tabela periódica, com diferentes densidades/composições correspondentes a onde no Sistema Solar, radialmente para fora do Sol, eles se formaram.
Note a relação entre a densidade e distância do Sol. Karim Khaidarov
Isto implica que diferentes planetas, asteróides, luas, objectos da cintura de Kuiper, etc., devem ser preferencialmente feitos a partir de diferentes elementos. Os elementos mais pesados da tabela periódica, por exemplo, deveriam preferencialmente ser encontrados em Mercúrio versus, digamos, Ceres, que por sua vez deveria ser mais enriquecido do que, digamos, Plutão. Mas o que deveria ser universal, pelo menos você pensaria assim, deveria ser as proporções de diferentes isótopos dos mesmos elementos.
Quando o Sistema Solar se forma, deveria ter, por exemplo, uma proporção específica de carbono-12 para carbono-13 para carbono-14. O carbono-14 tem uma meia-vida cosmicamente curta (de alguns milhares de anos), portanto o carbono-14 primordial deve ter desaparecido. Mas o carbono-12 e o carbono-13 são ambos estáveis, o que significa que onde quer que encontremos carbono no Sistema Solar, eles devem ter as mesmas proporções isotópicas. Isto vale para todos os elementos e isótopos estáveis e instáveis no Sistema Solar.
hoje, como medido para o nosso Sistema Solar. Usuário do Wikimedia Commons 28bytes
Porque o Sistema Solar tem bilhões de anos, podemos olhar para elementos que têm isótopos com meia-vida que estão nos bilhões de anos. Com o tempo, ou seja, à medida que o Sistema Solar envelhece, estes isótopos vão-se decompondo radioactivamente, e olhando para as proporções dos produtos em decomposição em relação ao material inicial que ainda resta, podemos determinar quanto tempo se passou desde que estes objectos se formaram. Para este fim, os elementos mais confiáveis são o urânio e o tório. Para o urânio, seus dois principais isótopos, o U-238 e o U-235, têm diferentes produtos de decaimento e diferentes taxas de decaimento, mas ambos estão nos bilhões de anos. Para o tório, o Th-232 radioativo é o mais útil.
O que é mais notável, porém, é que a melhor evidência para a era da Terra e do Sistema Solar não vem da própria Terra!
milhões de anos atrás que deu origem à queda de muitos dos meteoritos hoje. Don Davis, Southwest Research Institute
Tivemos dezenas de meteoritos que aterrissaram na Terra com suas abundâncias isotópicas e elementares medidas e analisadas. A chave é olhando para o elemento chumbo: a razão de Pb-207 para Pb-206 muda com o tempo devido às decadências de U-235 (que leva a Pb-207) e U-238 (que leva a Pb-206). Ao tratar a Terra e os meteoritos como parte do mesmo sistema em evolução – com a suposição de que existem as mesmas proporções isotópicas iniciais – podemos então olhar para os minérios de chumbo mais antigos encontrados na Terra para calcular a idade da Terra, dos meteoritos e do Sistema Solar.
É uma estimativa bastante boa, e dá-nos um número de 4,54 bilhões de anos. Isto é bom para uma precisão superior a 1%, mas isso ainda é uma incerteza de alguns dez milhões de anos.
Quando os meteoros atingem o topo da atmosfera terrestre, ardem, criando as raias e flashes de luz que associamos com as chuvas de meteoros. Ocasionalmente, uma rocha que cai será suficientemente grande para chegar à superfície, transformando-se num meteorito. NASA / domínio público
Mas podemos fazer melhor do que agregar tudo junto! Claro, isso dá uma grande estimativa geral, mas pensamos que, digamos, a Terra e a Lua são um pouco mais jovens que os meteoritos.
- Podemos olhar para os meteoritos mais antigos, ou os que mostram as proporções de chumbo mais extremas, para tentar estimar a idade do Sistema Solar: obtemos um número de cerca de 4,568 bilhões de anos se fizermos isso.
- Podemos olhar para as rochas da Lua, que não sofreram o processamento geológico que as rochas da Terra têm. Elas datam de uma idade de 4,51 bilhões de anos.
E, finalmente, temos que verificar a nossa sanidade. Tudo isso foi baseado no pressuposto de que a proporção de U-238 para U-235 era a mesma em todos os lugares do Sistema Solar. Mas novas evidências nos últimos 10 anos mostraram que isso provavelmente não é verdade.
detectores, incluindo como a abundância de material radioativo decaiu ao longo do tempo. Os sinais vistos pelo LUX são consistentes apenas com o plano de fundo. À medida que os elementos decaem com o tempo, o reagente e a abundância de produtos mudam. D.S. Akerib et al., Astropart.Phys. 62 (2015) 33, 1403.1299
Existem locais onde o U-235 é enriquecido em até 6% sobre o valor típico. De acordo com Gregory Brennecka,
Desde os anos 50, ou mesmo antes disso, ninguém tinha sido capaz de detectar quaisquer diferenças . Agora somos capazes de medir pequenas diferenças. Tem sido uma espécie de olho negro para algumas pessoas em geocronologia. Para dizer realmente que sabemos a idade do sistema solar baseado na idade da rocha, é essencial que todos concordem.
Mas há dois anos atrás, uma resolução foi descoberta: há outro elemento que desempenha um papel. Curium, um elemento mais pesado e com uma meia-vida mais curta que mesmo o Plutónio, irá decompor-se radioactivamente em U-235, o que explica as variações de forma requintada. As incertezas que restam são apenas alguns milhões de anos no máximo.
com os quais se pensa formar, irão se coalescer em planetas ao longo do tempo, como mostra esta ilustração. É importante reconhecer que a estrela central, os planetas individuais e as sobras de material primordial (que, por exemplo, se tornarão asteróides) podem todos ter variações de idades na ordem de dezenas de milhões de anos. NAOJ
Então, em geral, podemos dizer que o material sólido mais antigo que conhecemos no Sistema Solar tem 4,568 bilhões de anos, com uma incerteza de talvez apenas 1 milhão de anos. A Terra e a Lua são talvez ~60 milhões de anos mais jovens, tendo alcançado a sua forma final um pouco mais tarde. Além disso, não podemos aprender isso olhando para a própria Terra; as rochas que restam aqui são todas mais velhas que isso.
Mas o Sol, talvez surpreendentemente, pode ser um pouco mais velho, uma vez que sua formação deve ser anterior aos objetos sólidos que compõem os outros componentes do Sistema Solar. O Sol pode ser até dezenas de milhões de anos mais velho que as rochas mais antigas do Sistema Solar, possivelmente aproximando-se dos 4,6 bilhões de anos de idade. A chave, não importa o quê, é procurar a resposta extra-terrestre. Ironicamente, é a única forma de conhecer com precisão a idade do nosso planeta!
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