Geólogos descobrem a primeira evidência da “proto Terra” com 4,5 bilhões de anos

Jennifer Chu | MIT News

Cientistas do MIT e de outras instituições descobriram vestígios extremamente raros da “proto-Terra”, que se formou há cerca de 4,5 bilhões de anos, antes que uma colisão colossal alterasse irreversivelmente a composição do planeta primitivo e produzisse a Terra como a conhecemos hoje. Suas descobertas, publicadas na revista Nature Geosciences, ajudarão os cientistas a reunir as peças dos ingredientes primordiais que forjaram a Terra primitiva e o resto do sistema solar.

Bilhões de anos atrás, o sistema solar primitivo era um disco giratório de gás e poeira que acabou se aglomerando e se acumulando para formar os primeiros meteoritos, que por sua vez se fundiram para formar a proto-Terra e seus planetas vizinhos.

Nessa fase inicial, a Terra provavelmente era rochosa e fervilhava com lava. Então, menos de 100 milhões de anos depois, um meteorito do tamanho de Marte colidiu com o planeta infantil em um evento singular de “impacto gigante” que completamente misturou e derreteu o interior do planeta, efetivamente redefinindo sua química. Acredita-se que todo o material original do qual a proto-Terra era feita tenha sido totalmente transformado.

Mas as descobertas da equipe do MIT sugerem o contrário. Os pesquisadores identificaram uma assinatura química em rochas antigas que é única em relação à maioria dos outros materiais encontrados na Terra hoje. A assinatura tem a forma de um desequilíbrio sutil nos isótopos de potássio descobertos em amostras de rochas muito antigas e muito profundas. A equipe determinou que o desequilíbrio de potássio não poderia ter sido produzido por nenhum grande impacto anterior ou processo geológico ocorrido na Terra atualmente.

A explicação mais provável para a composição química das amostras é que elas devem ser resquícios da proto-Terra que, de alguma forma, permaneceram inalteradas, mesmo quando a maior parte do planeta primitivo foi impactada e transformada.

“Esta é talvez a primeira evidência direta de que preservamos os materiais da proto-Terra”, diz Nicole Nie, professora assistente de Desenvolvimento de Carreira Paul M. Cook de Ciências Terrestres e Planetárias no MIT. “Vemos um pedaço da Terra muito antiga, mesmo antes do impacto gigante. Isso é incrível, porque esperaríamos que essa marca muito antiga fosse lentamente apagada ao longo da evolução da Terra.”

Os outros autores do estudo incluem Da Wang, da Universidade de Tecnologia de Chengdu, na China; Steven Shirey e Richard Carlson, da Carnegie Institution for Science, em Washington; Bradley Peters, da ETH Zürich, na Suíça; e James Day, do Instituto Oceanográfico Scripps, na Califórnia.

Uma anomalia curiosa

Em 2023, Nie e seus colegas analisaram muitos dos principais meteoritos que foram coletados em locais ao redor do mundo e cuidadosamente estudados. Antes de impactar a Terra, esses meteoritos provavelmente se formaram em vários momentos e locais ao longo do sistema solar e, portanto, representam as condições variáveis do sistema solar ao longo do tempo. Quando os pesquisadores compararam as composições químicas dessas amostras de meteoritos com a Terra, eles identificaram entre elas uma “anomalia isotópica de potássio”.

Isótopos são versões ligeiramente diferentes de um elemento que têm o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons. O elemento potássio pode existir em um dos três isótopos naturais, com números de massa (prótons mais nêutrons) de 39, 40 e 41, respectivamente. Onde quer que o potássio tenha sido encontrado na Terra, ele existe em uma combinação característica de isótopos, com o potássio-39 e o potássio-41 sendo predominantes. O potássio-40 está presente, mas em uma porcentagem insignificante em comparação.

Nie e seus colegas descobriram que os meteoritos que estudaram apresentavam equilíbrios de isótopos de potássio diferentes da maioria dos materiais na Terra. Essa anomalia do potássio sugeriu que qualquer material que apresente uma anomalia semelhante provavelmente é anterior à composição atual da Terra. Em outras palavras, qualquer desequilíbrio de potássio seria um forte indício de material da proto-Terra, antes que o impacto gigante redefinisse a composição química do planeta.

“Nesse trabalho, descobrimos que diferentes meteoritos têm diferentes assinaturas isotópicas de potássio, o que significa que o potássio pode ser usado como um traçador dos blocos de construção da Terra”, explica Nie.

“Construído de forma diferente”

No estudo atual, a equipe procurou sinais de anomalias de potássio não em meteoritos, mas dentro da Terra. Suas amostras incluem rochas, em forma de pó, da Groenlândia e do Canadá, onde algumas das rochas mais antigas preservadas são encontradas. Eles também analisaram depósitos de lava coletados no Havaí, onde os vulcões trouxeram alguns dos materiais mais antigos e profundos da Terra do manto (a camada mais espessa de rocha do planeta que separa a crosta do núcleo).

“Se essa assinatura de potássio estiver preservada, gostaríamos de procurá-la no tempo profundo e nas profundezas da Terra”, diz Nie.

A equipe primeiro dissolveu as várias amostras de pó em ácido, depois isolou cuidadosamente todo o potássio do resto da amostra e usou um espectrômetro de massa especial para medir a proporção de cada um dos três isótopos do potássio. Surpreendentemente, eles identificaram nas amostras uma assinatura isotópica diferente daquela encontrada na maioria dos materiais na Terra.

Especificamente, eles identificaram um déficit no isótopo potássio-40. Na maioria dos materiais na Terra, esse isótopo já é uma fração insignificante em comparação com os outros dois isótopos do potássio. Mas os pesquisadores conseguiram discernir que suas amostras continham uma porcentagem ainda menor de potássio-40. Detectar esse pequeno déficit é como encontrar um único grão de areia marrom em um balde, em vez de uma concha cheia de areia amarela.

A equipe descobriu que, de fato, as amostras apresentavam o déficit de potássio-40, mostrando que os materiais “foram construídos de maneira diferente”, diz Nie, em comparação com a maioria do que vemos na Terra hoje.

Mas será que as amostras seriam vestígios raros da proto-Terra? Para responder a essa pergunta, os pesquisadores partiram do princípio de que esse poderia ser o caso. Eles concluíram que, se a proto-Terra fosse originalmente composta por materiais com deficiência de potássio-40, a maior parte desse material teria sofrido alterações químicas — devido ao impacto gigante e aos impactos subsequentes de meteoritos menores — que acabaram resultando nos materiais com mais potássio-40 que vemos hoje.

A equipe usou dados de composição de todos os meteoritos conhecidos e realizou simulações de como o déficit de potássio-40 das amostras mudaria após os impactos desses meteoritos e do impacto gigante. Eles também simularam processos geológicos que a Terra passou ao longo do tempo, como o aquecimento e a mistura do manto. No final, suas simulações produziram uma composição com uma fração ligeiramente maior de potássio-40 em comparação com as amostras do Canadá, Groenlândia e Havaí. Mais importante ainda, as composições simuladas corresponderam às da maioria dos materiais modernos.

O trabalho sugere que os materiais com déficit de potássio-40 são provavelmente resquícios do material original da proto-Terra.

Curiosamente, a assinatura das amostras não corresponde exatamente a nenhuma outra meteorito nas coleções dos geólogos. Embora as meteoritos no trabalho anterior da equipe tenham apresentado anomalias de potássio, elas não são exatamente o déficit observado nas amostras da proto-Terra. Isso significa que quaisquer meteoritos e materiais que originalmente formaram a proto-Terra ainda não foram descobertos.

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“Os cientistas têm tentado compreender a composição química original da Terra combinando as composições de diferentes grupos de meteoritos”, afirma Nie. “Mas nosso estudo mostra que o inventário atual de meteoritos não está completo e que ainda há muito a aprender sobre a origem do nosso planeta.”

Este trabalho foi apoiado, em parte, pela NASA e pelo MIT.

Reproduzido com permissão do MIT News