Desvendando os segredos mais profundos da Terra: o papel quântico do ferro na formação planetária

Novas pesquisas que exploram as propriedades quânticas de elementos em ambientes extremos têm implicações significativas para a nossa compreensão da história da Terra, a interpretação de atividades sísmicas únicas e a pesquisa de exoplanetas para obter insights sobre o seu potencial para sustentar vida.

Nas profundezas de planetas rochosos como a Terra, o comportamento do ferro influencia significativamente as propriedades dos materiais rochosos fundidos.

Essas propriedades desempenharam um papel crucial na formação e evolução da Terra. A evolução do nosso planeta pode ser em grande parte impulsionada pelo estado quântico microscópico dos átomos de ferro. O “estado de spin” do ferro, uma propriedade quântica de seus elétrons, afeta seu comportamento magnético e sua reatividade química. Variações no estado de rotação podem afetar se o ferro é encontrado na forma fundida ou sólida e sua condutividade elétrica.

Desafios no estudo do ferro em fundidos de silicato

Até agora, tem sido um desafio recriar as condições extremas nestes materiais rochosos derretidos, chamados derretimentos de silicato, para medir o estado de rotação do ferro. Usando lasers poderosos e raios X ultrarrápidos, uma equipe internacional de pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, da Universidade de Stanford, da Universite Grenoble Alpes, do Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (LULI) e da Arizona State University superou esse desafio . Eles mostraram que em pressões e temperaturas extremamente altas, o ferro fundido no silicato tem principalmente um estado de baixa rotação, o que significa que seus elétrons ficam mais próximos do centro e se emparelham em seus níveis de energia, tornando o ferro menos magnético e mais estável.

Os resultados, publicados em Avanços da Ciência, apoiam a ideia de que certos tipos de rocha derretida podem ser estáveis ​​nas profundezas da Terra e de outros planetas rochosos, potencialmente ajudando na criação de campos magnéticos. A pesquisa tem implicações potenciais para a compreensão da evolução da Terra, interpretação de sinais sísmicos e até mesmo para o estudo de exoplanetas.

“Em termos de exploração da história da Terra, estamos investigando processos que ocorreram há mais de 4 bilhões de anos”, disse o colaborador Dan Shim, pesquisador do estado do Arizona. “A única forma de estudar isso é utilizando tecnologia moderna que opera em femtossegundos. O contraste entre estas imensas escalas de tempo é ao mesmo tempo eloquente e surpreendente: é semelhante à ideia de uma máquina do tempo.”

Bombardeio de asteróides e oceanos magmáticos

Há cerca de 4,3 a 4,5 mil milhões de anos, a Terra primitiva sofreu impactos intensos, sendo atingida por asteróides tão grandes como cidades. Esses impactos produziram tanto calor que poderiam ter derretido completamente as camadas externas do planeta, criando um oceano profundo de rocha derretida.

“Foi teorizado que sob a imensa pressão destes impactos, a rocha derretida pode ter-se tornado mais densa do que a rocha sólida”, disse a colaboradora e cientista do SLAC, Arianna Gleason. “Este magma mais denso teria afundado em direção ao núcleo, capturando as assinaturas químicas daquela época. Alguns acreditam que vestígios desta camada de magma podem ainda existir hoje, contendo pistas de 4,5 mil milhões de anos atrás. Vulcões como os do Havai podem estar a libertar estas antigas assinaturas químicas, proporcionando-nos um vislumbre do passado distante da Terra.”

Em profundidades rasas, a rocha derretida ocupa mais espaço do que o mesmo material quando está sólido. Mas à medida que você vai mais fundo e a pressão aumenta, essa diferença diminui. A inclusão do ferro, especialmente o seu estado de spin, desempenha um grande papel na determinação dessas propriedades. Pesquisas anteriores mostraram resultados mistos sobre o estado de rotação do ferro em condições semelhantes: alguns estudos encontraram uma mudança rápida no estado de rotação do ferro sob altas pressões, enquanto outros observaram uma mudança mais lenta e gradual.

Este novo estudo fornece a primeira visão direta do comportamento do ferro em rocha fundida real sob condições extremas.

“Embora possamos aprender muito com o estudo de rochas e fósseis, alguns aspectos da história inicial da Terra são perdidos porque existem poucos registros daquela época”, disse Shim. “É isso que torna este estudo único. A formação da Terra foi um processo tumultuado, envolvendo impactos intensos e resultando em uma camada rochosa globalmente derretida. A pressão nesta camada era imensa. Estudamos isso simulando as condições por meio de experimentos de laboratório.”

Na gaiola experimental Matter in Extreme Conditions (MEC) na Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC, a equipe foi capaz de recriar as pressões extremas que teriam sido encontradas no oceano magmático da Terra primitiva, explodindo amostras com lasers poderosos que transformam o sólido material em uma fusão de silicato em questão de nanossegundos. Então, os cientistas usaram pulsos de raios X de femtossegundos do LCLS para estudar a estrutura eletrônica de elementos como o ferro sob essas condições extremas, fornecendo insights sobre como as configurações eletrônicas mudam sob diferentes condições e revelando que o magma derretido realmente se tornou mais denso do que um sólido sob condições extremas. condições específicas.

“Ao compreender a dinâmica interna da Terra, podemos refinar modelos de movimento tectônico e outros fenômenos geológicos”, disse Gleason. “Além disso, como as camadas da Terra estão interligadas, estas descobertas têm implicações para a ciência climática.”

Compreendendo nosso planeta

Nesta pesquisa, a equipe concentrou-se em fundidos com baixo teor de ferro. Mas à medida que o material chove em direção ao centro da Terra, teoriza-se que ele absorve mais ferro, tornando-o mais denso. Para acompanhar, a equipe planeja estudar fundidos com maior teor de ferro. Eles também esperam fazer experiências com derretimentos contendo um pouco de água, aprofundando a nossa compreensão do ciclo da água e do clima da Terra.

A pesquisa também poderia lançar luz sobre velocidades sísmicas peculiares nas profundezas do manto da Terra. Essas anomalias intrigam os cientistas há décadas. Algumas teorias sugerem que estas zonas podem ser restos de magma de há 4,5 mil milhões de anos, enquanto outras acreditam que resultam de placas tectónicas que se afundaram no interior da Terra, espalhando material com baixo ponto de fusão. Ao comparar diferentes hipóteses utilizando imagens sísmicas, a equipa pretende determinar as origens destas zonas e distinguir entre materiais antigos e mais recentes.

“À medida que a tecnologia avança, estamos na vanguarda da abordagem de grandes desafios que vão da mineralogia à ciência climática, conectando diversas áreas de pesquisa”, disse o cientista e colaborador do SLAC Roberto Alonso-Mori. “O grande volume de informações que podemos reunir transformou nossas capacidades. É uma virada de jogo. É estimulante desenvolver novas técnicas e aplicá-las a questões urgentes com uma equipe tão diversificada.”

LCLS é uma instalação de usuário do DOE Office of Science. Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Office of Science.