Convidados ocultos da Terra: estranhas bolhas no manto profundo são os restos de um planeta antigo

Um estudo liderado pelo Caltech sugere que duas estruturas enormes e ricas em ferro nas profundezas do manto da Terra são os restos de Theia, um antigo planeta que colidiu com a Terra, criando também a Lua. Esta descoberta responde a questões de longa data sobre a origem da Lua e o destino de Theia.

Na década de 1980, os geofísicos fizeram uma descoberta surpreendente: duas bolhas de material incomum do tamanho de um continente foram encontradas nas profundezas perto do centro da Terra, uma abaixo do continente africano e outra abaixo do Oceano Pacífico. Cada bolha tem o dobro do tamanho da Lua e provavelmente é composta por proporções de elementos diferentes do manto que a rodeia.

Origens das Grandes Províncias de Baixa Velocidade

De onde vieram essas bolhas estranhas – formalmente conhecidas como grandes províncias de baixa velocidade (LLVPs)? Um novo estudo liderado por pesquisadores do Caltech sugere que eles são remanescentes de um antigo planeta que colidiu violentamente com a Terra há bilhões de anos no mesmo impacto gigante que criou a nossa Lua.

O estudo, publicado na revista Natureza em 1º de novembro, também propõe uma resposta para outro mistério da ciência planetária. Os pesquisadores há muito levantam a hipótese de que a Lua foi criada na sequência de um impacto gigante entre a Terra e um planeta menor chamado Theia, mas nenhum vestígio de Theia foi encontrado no cinturão de asteróides ou em meteoritos. Este novo estudo sugere que a maior parte de Theia foi absorvida pela jovem Terra, formando os LLVPs, enquanto os detritos residuais do impacto se fundiram na Lua.

Visualização da Terra com grandes “bolhas” de material denso perto do núcleo da Terra. Essas bolhas foram descobertas na década de 1980. Agora, os pesquisadores propõem que sejam na verdade os restos de um antigo planeta, Theia, que colidiu com a Terra para formar a Lua. Crédito: Eduardo Garnero

Metodologia e Resultados da Pesquisa

A pesquisa foi liderada por Qian Yuan, OK Earl Postdoctoral Scholar Research Associate nos laboratórios de Paul Asimow (MS ’93, PhD ’97), Eleanor e John R. McMillan Professor de Geologia e Geoquímica; e Michael Gurnis, professor de geofísica John E. And Hazel S. Smits e presidente de liderança Clarence R. Allen, diretor do Laboratório Sismológico da Caltech e diretor da Academia Schmidt de Engenharia de Software da Caltech.

Os cientistas descobriram os LLVPs medindo as ondas sísmicas que viajavam pela Terra. As ondas sísmicas viajam a diferentes velocidades através de diferentes materiais e, na década de 1980, surgiram os primeiros indícios de variações tridimensionais em grande escala nas profundezas da estrutura da Terra. No manto mais profundo, o padrão das ondas sísmicas é dominado pelas assinaturas de duas grandes estruturas próximas do núcleo da Terra que os investigadores acreditam possuir um nível invulgarmente elevado de ferro. Este elevado teor de ferro significa que as regiões são mais densas do que os seus arredores, fazendo com que as ondas sísmicas que as atravessam diminuam e dando origem ao nome de “grandes províncias de baixa velocidade”.

Yuan, geofísico de formação, estava participando de um seminário sobre formação planetária ministrado por Mikhail Zolotov, professor da Universidade Estadual do Arizona, em 2019. Zolotov apresentou a hipótese do impacto gigante, enquanto Qian observou que a Lua é relativamente rica em ferro. Zolotov acrescentou que nenhum vestígio foi encontrado do impactador que deve ter colidido com a Terra.

“Logo depois de Mikhail ter dito que ninguém sabe onde está o impactor, tive um ‘momento eureka’ e percebi que o impactor rico em ferro poderia ter-se transformado em bolhas de manto”, diz Yuan.

Uma simulação detalhada de Theia colidindo com a Terra. Embora a colisão tenha sido violenta, não foi suficientemente energética para derreter o manto inferior da Terra – o que significa que os restos de Theia puderam ser preservados, em vez de serem misturados homogeneamente com o material da Terra. Crédito: Hongping Deng

Yuan trabalhou com colaboradores multidisciplinares para modelar diferentes cenários para a composição química de Theia e seu impacto na Terra. As simulações confirmaram que a física da colisão poderia ter levado à formação dos LLVPs e da Lua. Parte do manto de Theia poderia ter sido incorporado ao da própria Terra, onde finalmente se aglomerou e cristalizou para formar as duas bolhas distintas detectáveis ​​hoje na fronteira núcleo-manto da Terra; outros detritos da colisão se misturaram para formar a Lua.

Implicações e pesquisas futuras

Dado um impacto tão violento, porque é que o material de Theia se aglomerou em duas bolhas distintas em vez de se misturar com o resto do planeta em formação? As simulações dos investigadores mostraram que grande parte da energia fornecida pelo impacto de Theia permaneceu na metade superior do manto, deixando o manto inferior da Terra mais frio do que o estimado pelos modelos de impacto anteriores de menor resolução. Como o manto inferior não foi totalmente derretido pelo impacto, as bolhas de material rico em ferro de Theia permaneceram praticamente intactas enquanto desciam até à base do manto, como as massas coloridas de cera de parafina numa lâmpada de lava desligada. Se o manto inferior estivesse mais quente (isto é, se tivesse recebido mais energia do impacto), teria se misturado mais profundamente com o material rico em ferro, como as cores de um pote de tintas agitado.

Os próximos passos são examinar como a presença inicial do material heterogêneo de Theia nas profundezas da Terra pode ter influenciado os processos interiores do nosso planeta, como as placas tectônicas.

“Uma consequência lógica da ideia de que os LLVPs são remanescentes de Theia é que são muito antigos”, diz Asimow. “Faz sentido, portanto, investigar a seguir quais consequências eles tiveram para a evolução mais antiga da Terra, como o início da subducção antes que as condições fossem adequadas para as placas tectônicas de estilo moderno, a formação dos primeiros continentes e a origem dos mais antigos minerais terrestres sobreviventes.”

Novas pesquisas respondem a dois mistérios de longa data da ciência planetária: o que são as gigantescas e misteriosas “bolhas” de material perto do núcleo da Terra e o que aconteceu ao planeta que se chocou contra a Terra para criar a Lua? Um novo estudo da Caltech sugere que os restos daquele antigo planeta ainda se encontram dentro da Terra, explicando as origens das “bolhas” perto da fronteira núcleo-manto.

Qian Yuan é o primeiro autor. Além de Yuan e Asimow, o co-autor adicional do Caltech é Yoshinori Miyazaki, Stanback Postdoctoral Scholar Research Associate in Comparative Planetary Evolution. Coautores adicionais são Mingming Li, Steven Desch e Edward Garnero (PhD ’94) da Arizona State University (ASU); Byeongkwan Ko, da ASU e da Michigan State University; Hongping Deng, da Academia Chinesa de Ciências; Travis Gabriel, do Serviço Geológico dos EUA; Jacob Kegerreis de NASACentro de Pesquisa Ames; e Vincent Eke da Universidade de Durham. O financiamento foi fornecido pela National Science Foundation, pela OK Earl Postdoctoral Fellowship da Caltech, pelo US Geological Survey, pela NASA e pelo Caltech Center for Comparative Planetary Evolution.