Em algum lugar da nossa galáxia, um exoplaneta provavelmente está orbitando uma estrela que é mais fria que o nosso sol, mas em vez de congelar sólido, o planeta pode ser aconchegante graças ao efeito estufa causado pelo metano em sua atmosfera.

Astrobiólogos da NASA do Instituto de Tecnologia da Geórgia desenvolveram um novo modelo abrangente que mostra como a química planetária pode fazer isso acontecer. O modelo, publicado em um novo estudo na revista Nature Geoscience , foi baseado em um cenário provável na Terra, três bilhões de anos atrás, e foi realmente construído em torno de sua possível química geológica e biológica.

O sol produzia um quarto a menos de luz e calor então, mas a Terra permaneceu temperada, e o metano pode ter salvado nosso planeta de um congelamento profundo e de longa duração, cientistas levantam a hipótese. Não tinha, nós e a maioria das outras vidas complexas provavelmente não estaríamos aqui hoje.

O novo modelo combinava múltiplos processos metabólicos microbianos com processos vulcânicos, atividades oceânicas e atmosféricas, o que pode torná-lo o mais abrangente de seu tipo até o momento. Mas enquanto estudava o passado distante da Terra, os pesquisadores da Georgia Tech apontaram seu modelo a anos-luz de distância, querendo que algum dia ajudasse a interpretar as condições em exoplanetas recentemente descobertos.

Os pesquisadores definiram os parâmetros do modelo de forma ampla para que eles pudessem se aplicar não apenas ao nosso próprio planeta, mas potencialmente também a seus irmãos com seus tamanhos variados, geologias, e formas de vida.

Terra e seus irmãos

"Realmente queríamos usar exoplanetas no futuro por um motivo, "disse Chris Reinhard, o principal investigador do estudo e professor assistente na Escola de Ciências da Terra e Atmosféricas da Georgia Tech. "É possível que os modelos de metano atmosférico que estamos explorando para o início da Terra representem condições comuns às biosferas em toda a nossa galáxia porque eles não requerem um estágio de evolução tão avançado como o que temos aqui na Terra agora."

Reinhard e o primeiro autor Kazumi Ozaki publicaram seu Nature Geoscience jornal em 11 de dezembro, 2017. A pesquisa foi apoiada pelo Programa de Pós-Doutorado da NASA, a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência, o Instituto de Astrobiologia da NASA e a Fundação Alfred P. Sloan.

Modelos anteriores examinaram a mistura de gases atmosféricos necessária para manter a Terra aquecida, apesar da antiga fraqueza do Sol, ou estudou metabolismos microbianos isolados que poderiam ter produzido o metano necessário. "Em isolamento, cada metabolismo não criou modelos produtivos que foram bem responsáveis ​​por tanto metano, "Reinhard disse.

Os pesquisadores da Georgia Tech sinergizaram esses metabolismos microbianos isolados, incluindo a fotossíntese antiga, com a química geológica para criar um modelo que reflete a complexidade de um planeta vivo inteiro. E a produção de metano do modelo disparou.

“É importante pensar sobre os mecanismos que controlam os níveis atmosféricos de gases de efeito estufa no contexto de todos os ciclos biogeoquímicos do oceano e da atmosfera, "disse o primeiro autor Ozaki, assistente de pós-doutorado.

Carl Sagan e o sol fraco

O modelo da Georgia Tech reforça a hipótese principal que tenta explicar um mistério chamado "paradoxo do jovem sol" apontado pelo icônico astrônomo Carl Sagan e seu colega da Universidade Cornell George Mullen em 1972.

Os astrônomos notaram há muito tempo que as estrelas ficavam mais brilhantes à medida que amadureciam e mais fracas em sua juventude. Eles calcularam que há cerca de dois bilhões de anos, nosso sol deve ter brilhado cerca de 25% mais fraco do que hoje.

Isso teria sido muito frio para qualquer água líquida existir na Terra, mas paradoxalmente, fortes evidências dizem que a água líquida existia. “Com base na observação do registro geológico, sabemos que deve ter havido água líquida, "Reinhard disse, "e em alguns casos, sabemos que as temperaturas eram semelhantes às de hoje, se não um pouco mais quente. "

Sagan e Mullen postularam que a atmosfera da Terra deve ter criado um efeito estufa que a salvou. Naquela época, eles suspeitaram que a amônia estava agindo, mas quimicamente, essa ideia se mostrou menos viável.

"O metano assumiu um papel de liderança nesta hipótese, "Disse Reinhard." Quando o oxigênio e o metano entram na atmosfera, eles se cancelam quimicamente ao longo do tempo em uma cadeia complexa de reações químicas. Porque havia muito pouco oxigênio no ar naquela época, teria permitido que o metano acumulasse níveis muito mais altos do que hoje. "

Ferro, e fotossíntese de ferrugem

No centro do modelo estão dois tipos diferentes de fotossíntese. Mas três bilhões de anos atrás, o tipo dominante de fotossíntese que conhecemos hoje, que bombeia oxigênio, pode nem ter existido ainda.

Em vez de, dois outros processos fotossintéticos bacterianos muito primitivos provavelmente foram essenciais para a antiga biosfera da Terra. Um transformou o ferro do oceano em ferrugem, e o outro fotossintetizou o hidrogênio em formaldeído.

"O modelo contou com muita atividade vulcânica expelindo hidrogênio, "Ozaki disse. Outras bactérias fermentaram o formaldeído, e outras bactérias, ainda, transformou o produto fermentado em metano.

Os dois processos fotossintéticos serviram como mola do relógio do modelo, que puxou 359 reações biogeoquímicas previamente estabelecidas abrangendo terras, mar e ar.

3, 000, 000 execuções e fúria de metano

O modelo não era o tipo de simulação que produz uma animação em vídeo da antiga biogeoquímica da Terra. Em vez de, o modelo analisou matematicamente os processos, e a saída eram números e gráficos.

Ozaki executou o modelo mais de 3 milhões de vezes, parâmetros variáveis, e descobri que se o modelo contivesse ambas as formas de fotossíntese operando em conjunto, que 24 por cento das execuções produziram metano suficiente para criar o equilíbrio necessário na atmosfera para manter o efeito estufa e manter a Terra antiga, ou possivelmente um exoplaneta, temperado.

"Isso se traduz em cerca de 24 por cento de probabilidade de que este modelo produziria um estável, clima quente na Terra antiga com um sol fraco ou em um exoplaneta parecido com a Terra ao redor de uma estrela mais fraca, "Reinhard disse." Outros modelos que analisaram esses metabolismos fotossintéticos isoladamente têm probabilidades muito menores de produzir metano suficiente para manter o clima quente. "

"Estamos confiantes de que esta abordagem estatística única significa que você pode levar os insights básicos deste novo modelo para o banco, " ele disse.

Outras explicações para o "débil jovem paradoxo do Sol" têm sido mais cataclísmicas e talvez menos regulares em sua dinâmica. Eles incluem idéias sobre colisões de asteróides de rotina que estimulam a atividade sísmica, resultando em mais produção de metano, ou sobre o sol disparando consistentemente ejeções de massa coronal na Terra, aquecendo-o.