1093: Ceres foi formado na zona mais fria do Sistema Solar e lançado para a cintura de asteróides

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

O planeta anão Ceres, num mosaico captado pela missão Dawn da NASA. Os pontos brilhantes são reflexões produzidas por depósitos de gelo no fundo da cratera.
Crédito: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Um estudo que visa reconstituir o processo de formação do planeta anão Ceres foi publicado por investigadores da Universidade Estadual Paulista (UNESP) e colaboradores na revista científica Icarus.

O trabalho foi realizado por Rafael Ribeiro de Sousa, professor do Programa de Pós-Graduação em Física, campus de Guaratinguetá. Também assinam o artigo o professor Ernesto Vieira Neto, que foi o orientador de Ribeiro de Sousa na sua investigação de doutoramento, e investigadores da Université Côte d’Azur, na França; da Rice University, nos Estados Unidos; e do Observatório Nacional no Rio de Janeiro.

Como explicam os autores, Ceres integra a cintura de asteróides, uma colecção de corpos celestes localizada entre as órbitas de Marte e Júpiter. De formato aproximadamente esférico, é o maior objecto na cintura, concentrando um-terço da sua massa total.

O seu diâmetro, com quase mil quilómetros, é pouco maior do que um-terço do diâmetro da Lua. Com uma excentricidade de 0,09, tem uma órbita quase circular. E a inclinação da sua órbita em relação ao plano invariante do Sistema Solar, inferior a 10 graus, é bem maior do que a inclinação da órbita da Terra, que é de 1,57 graus.

A massa de Ceres é pequena demais para poder segurar, por atracção gravitacional, uma atmosfera. Mas um facto notável é que os gelos de amónia e de água existentes à sua superfície evaporam com a incidência da luz solar. E a névoa formada dispersa-se pelo espaço. Os depósitos de gelo brilham muito no fundo das crateras. Não está excluída a hipótese de que possam abrigar alguma forma primitiva de vida. A missão Dawn, da NASA, a agência espacial norte-americana, que se aproximou bastante de Ceres e Vesta, mapeou essas crateras.

O núcleo do planeta anão é composto provavelmente por material pesado: ferro e silicatos. Mas o que diferencia Ceres dos objectos vizinhos é o seu manto de gelo de amónia e água. Como a maioria dos corpos da cintura de asteróides não tem amónia, a hipótese é a de que Ceres tenha sido formado mais para fora, na região mais fria que se estende para lá da órbita de Júpiter e, depois, lançado para a zona média da cintura devido à grande instabilidade gravitacional provocada pela formação dos planetas gasosos gigantes Júpiter e Saturno.

“A presença de gelo de amónia é uma forte evidência observacional de que Ceres possa ter sido formado na região mais fria do Sistema Solar, além da chamada ‘Linha de Gelo’, onde as temperaturas eram baixas o suficiente para ocorrer condensação e fusão de água e substâncias voláteis, como monóxido de carbono [CO], dióxido de carbono [CO2] e amónia [NH3]”, diz Ribeiro de Sousa.

Hoje, a Linha de Gelo está localizada muito próximo da órbita de Júpiter. Porém, quando o Sistema Solar estava em formação, há 4,5 mil milhões de anos, a posição dessa zona variou de acordo com a evolução do disco de gás proto-planetário e a formação dos planetas gigantes.

“A forte perturbação gravitacional provocada pelo crescimento desses planetas pode ter alterado a densidade, a pressão e a temperatura do disco proto-planetário, o que teria deslocado a Linha de Gelo. Essa perturbação no disco de gás proto-planetário teria feito com que planetas em crescimento, enquanto adquiriam gás e sólidos, migrassem para órbitas mais próximas do Sol”, explica o professor Vieira Neto.

“No nosso trabalho, propusemos um cenário para explicar o porquê de Ceres ser tão diferente dos asteróides vizinhos. Nesse cenário, Ceres teria iniciado a sua formação numa órbita para lá de Saturno, onde a amónia era abundante. Durante o crescimento dos planetas gigantes, foi puxado para a cintura de asteróides, como um migrante do Sistema Solar externo e sobreviveu até hoje, durante 4,5 mil milhões de anos”, afirma Ribeiro de Sousa.

Para comprovar tal hipótese, Ribeiro de Sousa e colaboradores realizaram um grande número de simulações computacionais da fase de formação dos planetas gigantes dentro do disco de gás proto-planetário que circundava o Sol. No modelo, foram consideradas no disco as presenças de Júpiter, Saturno, embriões planetários (precursores de Úrano e Neptuno) e uma colecção de objectos similares em tamanho e composição química a Ceres.

A suposição foi a de que Ceres seria um objecto de tipo planetesimal. Estes são considerados os “blocos de construção” dos planetas e de outros corpos do Sistema Solar, como asteróides, cometas etc.

“Nas nossas simulações, verificamos que a fase de formação dos planetas gigantes não foi nada tranquila. Caracterizou-se por colisões gigantescas entre os precursores de Úrano e Neptuno, pela ejecção de planetas para fora do Sistema Solar e até mesmo pela invasão da região interna por planetas com massas maiores do que três vezes a massa da Terra. Além disso, a forte perturbação gravitacional espalhou objectos similares a Ceres por toda a parte. Alguns, com uma certa probabilidade, alcançaram a região da cintura de asteróides e adquiriram órbitas estáveis, capazes de sobreviver a outros eventos”, conta o investigador.

Segundo Ribeiro de Sousa, três mecanismos principais actuaram para preservar esses objectos na região: a acção do gás, que amorteceu as excentricidades e as inclinações das suas órbitas; as ressonâncias dos seus movimentos médios com Júpiter, que os protegeram de ejecções e colisões causadas por esse planeta gigante; e encontros próximos com os planetas invasores, que espalharam os planetesimais para regiões mais internas e estáveis da cintura de asteróides.

“O nosso principal resultado indica que, no passado, houve no mínimo 3500 objectos do tipo Ceres, para lá da órbita de Saturno. E que, com esse número de objectos, o nosso modelo mostrou que um deles conseguiu ser transportado e capturado na cintura de asteróides, numa órbita muito similar à órbita actual de Ceres”, destaca o cientista.

Esse número, de 3500 objectos de tipo Ceres, já havia sido estimado por outros estudos, a partir da observação de crateras e de tamanhos de outras populações de astros, situadas para além de Saturno, como aquelas que compõem a Cintura de Kuiper, onde orbitam Plutão e outros planetas anões. “Com o nosso cenário, fomos capazes de confirmar tal número e explicar as propriedades orbitais e químicas de Ceres. Esse trabalho conta um ponto a favor dos modelos mais recentes de formação do Sistema Sola”, resume Ribeiro de Sousa.

Um pouco sobre a formação planetária

Um cenário sobre a formação planetária do Sistema Solar, composto a partir das informações mais actualizadas disponíveis, permite entender melhor o estudo em pauta, situando Ceres no quadro geral.

“A partir de evidências observacionais, sabe-se que qualquer sistema planetário – não apenas o Sistema Solar – é formado a partir de um disco de gás e poeira que circunda uma estrela recém-formada. O evento que forma a estrela ainda é objecto de estudo, mas o consenso até ao momento é que ela nasce a partir do colapso gravitacional de uma nuvem molecular gigante”, afirma Ribeiro de Sousa.

A existência dos discos proto-planetários não é mera suposição. Ao contrário, respalda-se em observações robustas. É o caso das imagens obtidas pela Agência Espacial Europeia por meio do radiotelescópio ALMA (Atacama Large Millimeter Array), um sistema constituído por 66 antenas situado no deserto do Atacama, no Chile. Com impressionante resolução e riqueza de detalhes, essas imagens mostram discos proto-planetários ao redor de estrelas bem jovens.

“No caso do Sistema Solar, os dados de que dispomos sugerem que o disco proto-planetário seria constituído por 99% de gás e 1% de poeira. Esta seria proveniente de estrelas mais antigas, que terminaram o seu ciclo de vida e lançaram material pesado para o espaço. A poeira que se acumulou ao redor do Sol foi suficiente para formar ao menos os pequenos corpos, os planetas terrestres e os núcleos dos grandes planetas gasosos.

Os primeiros sólidos que se condensam no disco proto-planetário são chamados de CAIs (do inglês “Calcium Aluminium rich-Inclusions”). Como o próprio nome indica, eram ricos em cálcio e alumínio. Foram encontrados como inclusões em meteoritos. E as suas idades mais antigas foram datadas em 4,568 mil milhões de anos”, informa o pesquisador.

Diversas estrelas jovens, observadas em ambientes caracterizados como berços de formação planetária, foram datadas com idades variando entre 1 e 10 milhões de anos. Esse dado forneceu uma informação muito importante, porque mostrou que a formação de planetas gasosos (como Júpiter e Saturno) ou que possuam ao menos um invólucro gasoso (como Úrano e Neptuno) deve ocorrer, no máximo, nos primeiros 10 milhões de anos de vida da estrela. Depois disso, os discos proto-planetários não possuem mais gás suficiente.

Planetas rochosos, de tipo terrestre, poderiam surgir antes ou depois – não se sabe. Mas outras informações disponíveis mostram que a formação da Terra e da Lua foi um dos eventos mais tardios na génese do Sistema Solar, ocorrido há volta de 4,543 mil milhões de anos. Quanto aos pequenos corpos que compõem o sistema (planetas anões, satélites, cometas, asteróides, poeira etc.), são resultado do resto da formação dos planetas e evoluíram física e dinamicamente antes e depois da fase de gás, por processos como interacções com o gás, colisões, capturas gravitacionais e outros.

O processo de formação planetária é bastante complexo. Os estágios vão da poeira, com tamanhos da ordem do mícron (10^−6 m), até planetas várias vezes maiores do que Júpiter. “A poeira acumula-se por adesões e colisões dentro do disco proto-planetário. A atracção gravitacional entre essas partículas não é relevante.

Mas a atracção gravitacional exercida pelo Sol faz com que o gás gire mais devagar do que a poeira. E isso produz um arrasto aerodinâmico muito forte sobre a poeira. A força de arrasto leva as partículas para o plano do disco de gás e desloca-as radialmente em direcção ao Sol. Quando a poeira alcança tamanhos da ordem de alguns centímetros, formam-se seixos, que fazem toda a diferença no processo de crescimento planetário.

Pois influenciam a velocidade de rotação do gás. Quando as velocidades do gás e dos seixos se igualam, o arrasto do gás torna-se praticamente nulo, o que oferece aos seixos a chance de se concentrarem o suficiente para originarem planetesimais – corpos com tamanhos variando de 10 a 1000 quilómetros, que se tornam os blocos de construção dos planetas e os precursores dos pequenos corpos”, narra Ribeiro de Sousa.

No estágio seguinte, formam-se objectos cada vez maiores, por captura gravitacional de seixos e poeira ou por colisões. Quando um objecto cresce o suficiente para ter a massa de três a dez Terras, a perturbação gravitacional que produz no disco de gás faz com que ele migre para órbitas mais próximas da estrela. Quando cresce acima de dez Terras, passa a acumular ao seu redor um invólucro de gás. E, a partir da acumulação do gás, o seu crescimento torna-se muito rápido.

“A formação dos planetas gigantes Júpiter e Saturno produziu uma perturbação gravitacional tão grande que modelou o disco de gás e provocou um novo tipo de migração planetária. Essa fase violenta fez planetas colidirem e planetas serem ejectados para fora do Sistema Solar, até que o balanço gravitacional possibilitou que o sistema como um todo adquirisse um certo grau de estabilidade”, conclui Ribeiro de Sousa.

Astronomia On-line
24 de Maio de 2022


 

691: Encontrados depósitos de sal em Ceres. Cratera do planeta anão pode conter outro vulcão gelado

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA
A bacia de Urvara em Ceres

Imagens da missão Dawn da NASA, que orbitou Ceres entre 2015 e 2018, revelaram depósitos de sal na cratera Urvara, que podem estar associados a vulcões gelados.

Ceres pode ter mais um crio-vulcão na sua superfície. Dados da missão Dawn permitiram aos astrónomos descobrir depósitos de sal na bacia de Urvara, que podem estar relacionados com vulcões gelados.

Entre 2015 e 2018, a sonda Dawn orbitou e explorou o pequeno planeta, localizado no Cinturão de Asteróides entre as órbitas de Marte e Júpiter. Além de ter avistado a cratera Urvara, o estudo apontou a relação dos depósitos de sal com as actividades de crio-vulcões — que expelem gelo em vez de lava.

É com alguma frequência que se encontram depósitos de sal em Ceres, o que leva os cientistas a suspeitar da existência de uma fonte abaixo do solo, um possível oceano salino. Mas, com apenas 482 quilómetros de diâmetro, como poderia um planeta anão conter tanta água?

Citada pelo Space, Andreas Nathues, do Instituto Max Planck, explicou que são as grandes estruturas de impacto de Ceres que dão aos cientistas acesso às camadas mais profundas do planeta.

A topografia e composição das crateras, por exemplo, parecem apontar para “processos geológicos complexos e duradouros que alteraram a superfície do planeta anão”.

Ora, com 170 quilómetros de largura, Urvara é um exemplo disso mesmo: a cratera ter-se-á formado há 250 milhões por um impacto que “escavou” material até 50 quilómetros de profundidade.

As imagens obtidas pela sonda Dawn, a apenas 35 quilómetros da superfície de Ceres, deram detalhes em alta resolução que permitiram observar paredes de crateras, uma grande cadeia de montanhas e um material brilhante – que seria o material expelido pelo crio-vulcão da região.

Esta foi a primeira vez que um estudo detectou depósitos de sal e compostos orgânicos na superfície de um mundo — especialmente concentrados numa encosta a oeste das montanhas centrais.

A descoberta orgânica tem “implicações importantes para a história geológica geral de Ceres, bem como potenciais ligações à astrobiologia e habitabilidade“, observou o cientista Guneshwar Thangjam, do Instituto Nacional de Educação e Investigação Científica em Bhubaneswar, na Índia.

O artigo científico foi publicado, em Fevereiro, na Nature.

  ZAP //

ZAP
7 Março, 2022



 

637: Compostos orgânicos em Ceres

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Superfície acidentada: várias grandes e marcantes crateras à superfície do planeta anão Ceres.
Crédito: Instituto Max Planck, com base em dados da missão Dawn (NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA)

A terceira maior cratera do planeta anão Ceres esteve geologicamente activa pelo menos uma vez durante muitos milhões de anos após a sua formação. Num estudo recente publicado na revista Nature Communications, investigadores do Instituto Max Planck para Investigação do Sistema Solar em Gotinga, da Universidade de Münster e do NISER (National Institute of Science Education and Research) em Bhubaneswar, Índia, apresentam o estudo mais detalhado da cratera Urvara até à data. Pela primeira vez, avaliaram imagens da última fase da missão Dawn da NASA, que revelam estruturas geológicas com apenas alguns metros de tamanho. A sonda Dawn entrou em órbita do planeta anão em 2015 e estudou-o de perto durante cerca de três anos e meio. Tal como a cratera Occator, os investigadores argumentam que a cratera Urvara pode ter sido palco de actividade crio-vulcânica. O estudo apoia a imagem de que um oceano salino global se estendeu por baixo da crosta de Ceres, parte do qual ainda hoje pode ser líquido.

Muitas grandes crateras cobrem a superfície do planeta anão Ceres, o maior corpo da cintura de asteróides, com aproximadamente 960 quilómetros de diâmetro. Provavelmente a mais marcante destas crateras é Occator, localizada no hemisfério norte. As manchas brilhantes no seu interior, que já eram claramente visíveis durante a fase de aproximação da Dawn, revelaram-se como remanescentes salinos de uma salmoura subterrânea, que subiu à superfície através de processos crio-vulcânicos até tempos geológicos recentes. Noutra grande cratera, de nome Ernutet, existem evidências de compostos orgânicos expostos e, portanto, de uma química muito complexa. Na sua publicação mais recente, investigadores liderados pelo Instituto Max Planck voltam agora a sua atenção para a cratera Urvara. Localizada no hemisfério sul, é a terceira maior cratera de Ceres, com um diâmetro de 170 quilómetros. Pensa-se que o impacto que a formou, há cerca de 250 milhões de anos, revelou material de profundidades até 50 quilómetros.

“As grandes estruturas de impacto em Ceres dão-nos acesso às camadas mais profundas do planeta anão,” explica Andreas Nathues do Instituto Max Planck, primeiro autor do estudo actual e investigador principal da equipa da câmara da Dawn. “Ao que parece a actual topografia e composição mineralógica de algumas das grandes crateras de Ceres é o resultado de processos geológicos complexos e duradouros que alteraram a superfície do planeta anão,” acrescenta.

São necessárias imagens de alta resolução e dados espectroscópicos para rastrear estes processos com a maior precisão possível. Os dados observacionais mais precisos da cratera Urvara foram obtidos durante a missão alargada da Dawn: após a missão primária, inicialmente concebida para durar dois anos, ter expirado, o combustível restante era suficiente para voar em órbitas mais ousadas e altamente elípticas, levando a nave espacial até 35 quilómetros da superfície. Durante esta fase, os dois instrumentos FC (Framing Cameras) da Dawn, o sistema de câmaras científicas da missão, recolheram imagens em que estruturas com vários metros de tamanho podem ser identificadas. O sistema de câmaras foi desenvolvido e construído sob liderança do Instituto Max Planck e aí operado durante a missão.

As imagens de alta resolução da cratera Urvara revelam uma paisagem geologicamente e distintamente diversa. Múltiplas paredes da cratera, em socalcos, envolvem a bacia de impacto; a característica mais proeminente que se eleva ligeiramente para longe do centro da cratera é uma cadeia de montanhas com cerca de 25 quilómetros de comprimento e 3 quilómetros de altura. O seu flanco sul é o local de penhascos escarpados, áreas salpicadas de rochas – e ocasionalmente material brilhante que faz lembrar os famosos pontos brilhantes da cratera Occator. Além disso, as imagens mostram uma depressão central profunda, áreas com superfícies notavelmente lisas e algumas pontilhadas com numerosas depressões mais pequenas e arredondadas.

“A nossa análise revela que diferentes áreas da cratera têm idades muito diferentes,” diz Nico Schmedemann do Instituto de Planetologia da Universidade de Münster. “A diferença de idades é de até 100 milhões de anos. Isto sugere que os processos estiveram em funcionamento muito tempo após a formação da cratera”, acrescenta. Para estudos deste tipo, os investigadores contam as pequenas crateras que cobrem todas as superfícies de corpos sem atmosfera. Como as superfícies mais antigas tiveram mais tempo para “acumular” tais impactos de asteróides mais pequenos, têm mais crateras do que as superfícies mais jovens. Além disso, os modelos da força do bombardeamento em diferentes alturas desempenham um papel na determinação da idade exacta.

De acordo com estes modelos, as áreas mais primitivas da cratera Urvara têm cerca de 250 milhões de anos. Este tempo marca a formação da própria cratera. As superfícies mais jovens dentro da cratera incluem extensas áreas lisas e escuras, bem como fossos que foram provavelmente formados pela fuga de gás no subsolo.

Outras pistas sobre o passado turbulento da cratera são fornecidas por imagens tiradas utilizando os filtros de cor do sistema de câmaras. Elas permitem concluir quais os comprimentos de onda de luz visível que certas superfícies refletem para o espaço – e assim ajudam a inferir a sua composição mineralógica. Ao que parece, o material brilhante é sal. Os dados do espectrómetro VIR da Dawn, contribuído para a missão pela agência espacial italiana, também indicam que foram depositados compostos orgânicos juntamente com sais numa encosta a oeste da cordilheira central da montanha. Tal combinação de depósitos de sal e de compostos orgânicos não tinha sido observada antes. Os depósitos de compostos orgânicos parecem ser comparativamente jovens.

“A origem e a formação do material orgânico em Ceres continuam a ser questões interessantes em aberto que têm implicações importantes para a história geológica geral de Ceres, bem como potenciais ligações à astrobiologia e habitabilidade. O material orgânico que pensamos ter encontrado na bacia Urvara, no hemisfério sul, diferente das ricas áreas orgânicas na cratera Ernutet, no hemisfério norte, irão ajudar-nos a responder a estas questões”, diz o cientista Guneshwar Thangjam do NISER. “A equipa está a trabalhar nestes aspectos utilizando tanto dados espectrais dos FC como do VIR,” acrescenta.

“No geral, a cratera Urvara apresenta-nos uma imagem decididamente complexa que ainda não compreendemos completamente e que deixa espaço para duas interpretações”, diz Andreas Nathues ao resumir os resultados. Por exemplo, o impacto que formou a cratera Urvara poderia ter transportado sais do interior do planeta anão até à superfície. No entanto, algumas evidências sugerem que, em vez disso, se tratou de uma salmoura, levantando-se do interior e dando início a outros processos. Não é claro se a salmoura chegou à superfície ou se apenas se acumulou logo abaixo dela.

Independentemente da interpretação exacta, os resultados actuais reforçam a imagem do planeta anão que a missão Dawn “desenhou” nos últimos anos: um corpo geologicamente activo com camadas salinas que se estendem por baixo da sua crosta a várias profundidades. Estas podem estar relacionadas com um anterior oceano sub-superficial que também continha compostos orgânicos. Apesar da vasta distância de Ceres ao Sol, graças aos sais dissolvidos, esta salmoura poderia ainda hoje sobreviver em grandes reservatórios líquidos a profundidades de cerca de 40 quilómetros.

Astronomia On-line
25 de Fevereiro de 2022