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. Os resultados 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 estrutura, 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 disco protoplanetário ou nebulosa solar. Comparando 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, descoberto em uma amostra do meteorito Allende, que caiu sobre o estado mexicano de Chihuahua em 1969. Os CAIs são de especial interesse porque são considerados um dos 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 as paradas ao longo do caminho, as estruturas em escala micro e atômica das amostras desbloqueiam um registro de suas histórias de formação, que eram controlados pelos ambientes coletivos aos quais foram expostos.

"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, um professor do Laboratório Lunar e Planetário da Universidade do Arizona e o primeiro autor do artigo, publicado em 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 do UArizona, e seu microscópio irmão localizado na fábrica Hitachi em Hitachinaka, Japão.

Constatou-se que as inclusões consistem principalmente em 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 resíduos da formação do sistema solar e contêm moléculas orgânicas, incluindo aqueles que podem ter fornecido a matéria-prima 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, levando-os a cavar mais fundo.

"Nosso desafio é que não sabemos quais vias químicas levaram à origem dessas inclusões, "Zega disse." A natureza é o 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 se propôs a "fazer engenharia reversa" da composição das amostras extraterrestres, projetando novos modelos que simulavam processos químicos complexos, ao qual 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 de materiais, ciência mineral e microscopia, que foi o que nos propusemos a fazer, "acrescentou Krishna Muralidharan, coautor do estudo e professor associado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do UArizona.

Com base nos dados que os autores foram capazes de 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 mais perto do sol, onde foi progressivamente mais quente, apenas para depois reverter o curso e se espalhar em partes mais frias, mais distantes do sol jovem. Eventualmente, 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 afetado pelas 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, continua a 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 4,567 bilhões de anos atrás na nebulosa solar, "disse Venkat Manga, um co-autor do artigo e um professor assistente de pesquisa no 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 é composto, e como dá origem ao sol e aos planetas.

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

"Talvez em algum momento possamos examinar os discos em evolução, e então podemos realmente comparar nossos dados entre as disciplinas e começar a responder a algumas dessas grandes questões, "Zega disse." Essas partículas de poeira estão se formando onde pensamos que se formaram em nosso próprio sistema solar? Eles 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, "ele acrescentou." E é incrível estar em uma instituição onde os pesquisadores podem formar colaborações transdisciplinares entre os líderes da astronomia, departamentos de ciências planetárias e de materiais da mesma universidade. "