A quantidade de elementos radioativos de vida longa incorporados em um planeta rochoso à medida que se forma pode ser um fator crucial na determinação de sua habitabilidade futura, de acordo com um novo estudo realizado por uma equipe interdisciplinar de cientistas da UC Santa Cruz.

Isso porque o aquecimento interno da decadência radioativa dos elementos pesados ​​tório e urânio impulsiona as placas tectônicas e pode ser necessário para o planeta gerar um campo magnético. O campo magnético da Terra protege o planeta dos ventos solares e dos raios cósmicos.

A convecção no núcleo metálico derretido da Terra cria um dínamo interno (o "geodinamo") que gera o campo magnético do planeta. O suprimento de elementos radioativos da Terra fornece aquecimento interno mais do que suficiente para gerar um geodinamo persistente, de acordo com Francis Nimmo, professor de ciências terrestres e planetárias na UC Santa Cruz e primeiro autor de um artigo sobre as novas descobertas, publicado em 10 de novembro em Cartas de jornal astrofísico .

"O que percebemos foi que diferentes planetas acumulam diferentes quantidades desses elementos radioativos que, em última análise, alimentam a atividade geológica e o campo magnético, "Nimmo explicou." Então pegamos um modelo da Terra e ajustamos a quantidade de produção interna de calor radiogênico para cima e para baixo para ver o que acontece. "

O que eles descobriram é que se o aquecimento radiogênico for maior do que o da Terra, o planeta não pode sustentar permanentemente um dínamo, como a Terra fez. Isso acontece porque a maior parte do tório e do urânio acabam no manto, e muito calor no manto atua como um isolante, evitando que o núcleo derretido perca calor rápido o suficiente para gerar os movimentos convectivos que produzem o campo magnético.

Com aquecimento interno mais radiogênico, o planeta também tem muito mais atividade vulcânica, que poderia produzir eventos de extinção em massa freqüentes. Por outro lado, muito pouco calor radioativo resulta em nenhum vulcanismo e em um planeta geologicamente "morto".

"Apenas mudando esta variável, você varre esses diferentes cenários, de geologicamente morto a semelhante à Terra a extremamente vulcânico sem dínamo, "Nimmo disse, acrescentando que esses achados justificam estudos mais detalhados.

"Agora que vemos as implicações importantes de variar a quantidade de aquecimento radiogênico, o modelo simplificado que usamos deve ser verificado por cálculos mais detalhados, " ele disse.

Habitabilidade

Um dínamo planetário foi ligado à habitabilidade de várias maneiras, de acordo com Natalie Batalha, um professor de astronomia e astrofísica cuja Iniciativa de Astrobiologia na UC Santa Cruz despertou a colaboração interdisciplinar que levou a este artigo.

"Há muito se especula que o aquecimento interno impulsiona as placas tectônicas, que cria ciclo de carbono e atividade geológica como vulcanismo, que produz uma atmosfera, "Explicou Batalha." E a capacidade de reter uma atmosfera está relacionada com o campo magnético, que também é impulsionado pelo aquecimento interno. "

Coautor Joel Primack, um professor emérito de física, explicou que os ventos estelares, que são fluxos rápidos de material ejetado das estrelas, pode erodir continuamente a atmosfera de um planeta se ele não tiver campo magnético.

"A falta de um campo magnético é aparentemente parte do motivo, junto com sua menor gravidade, porque Marte tem uma atmosfera muito fina, "disse ele." Costumava ter uma atmosfera mais densa, e por um tempo teve água de superfície. Sem a proteção de um campo magnético, muito mais radiação passa e a superfície do planeta também se torna menos habitável. "

Primack observou que os elementos pesados ​​cruciais para o aquecimento radiogênico são criados durante as fusões de estrelas de nêutrons, que são eventos extremamente raros. A criação desses elementos chamados r-processos durante as fusões de estrelas de nêutrons tem sido um foco de pesquisa do co-autor Enrico Ramirez-Ruiz, professor de astronomia e astrofísica.

"Esperaríamos uma variabilidade considerável nas quantidades desses elementos incorporados em estrelas e planetas, porque depende de quão perto a matéria que os formou estava de onde esses raros eventos ocorreram na galáxia, "Primack disse.

Os astrônomos podem usar a espectroscopia para medir a abundância de diferentes elementos nas estrelas, e espera-se que as composições dos planetas sejam semelhantes às das estrelas que orbitam. O európio elemento terra rara, que é prontamente observado em espectros estelares, é criado pelo mesmo processo que torna os dois elementos radioativos de vida mais longa, tório e urânio, portanto, o európio pode ser usado como traçador para estudar a variabilidade desses elementos nas estrelas e planetas de nossa galáxia.

Alcance natural

Astrônomos obtiveram medições de európio para muitas estrelas em nossa vizinhança galáctica. Nimmo foi capaz de usar essas medições para estabelecer uma gama natural de dados para seus modelos de aquecimento radiogênico. A composição do sol está no meio dessa faixa. De acordo com Primack, muitas estrelas têm metade do európio em comparação com o magnésio que o sol, e muitas estrelas têm até duas vezes mais que o sol.

A importância e variabilidade do aquecimento radiogênico abre muitas novas questões para os astrobiólogos, Disse Batalha.

"É uma história complexa, porque ambos os extremos têm implicações para a habitabilidade. Você precisa de aquecimento radiogênico suficiente para sustentar as placas tectônicas, mas não tanto a ponto de desligar o dínamo magnético, "ela disse." Em última análise, estamos procurando as moradas mais prováveis ​​da vida. A abundância de urânio e tório parecem ser os principais fatores, possivelmente até outra dimensão para definir um planeta Goldilocks. "

Usando medições de európio de suas estrelas para identificar sistemas planetários com diferentes quantidades de elementos radiogênicos, astrônomos podem começar a procurar diferenças entre os planetas nesses sistemas, Nimmo disse, especialmente quando o Telescópio Espacial James Webb é implantado. "O Telescópio Espacial James Webb será uma ferramenta poderosa para a caracterização de atmosferas de exoplanetas, " ele disse.

Além de Nimmo, Primack, e Ramirez-Ruiz, os co-autores do artigo incluem Sandra Faber, professora emérita de astronomia e astrofísica, e o acadêmico de pós-doutorado Mohammadtaher Safarzadeh.