A água é onipresente em discos protoplanetários e a origem da água pode não ser tão misteriosa afinal. Um artigo de pesquisa publicado na revista GeoScienceWorld Elements mostra que outros sistemas solares jovens têm abundância de água. Em sistemas solares como o nosso, a água vem junto enquanto o jovem sol cresce e os planetas se formam. A evidência está no alto teor de água pesada da Terra, e mostra que a água do nosso planeta tem 4,5 bilhões de anos. O artigo se chama “We Drink Good 4.5-Billion-Year-Old Water” e os autores são Cecilia Ceccarelli e Fujun Du. Ceccarelli é uma astrônoma italiana do Instituto de Ciências Planetárias e Astrofísica em Grenoble, França. Du é um astrônomo do Observatório da Montanha Roxa em Nanjing, China.
A formação de um sistema solar começa com uma nuvem molecular gigante. A nuvem é principalmente hidrogênio, o componente principal da água. Em seguida, há hélio, oxigênio e carbono, em ordem de abundância.
A nuvem também contém pequenas partículas de poeira de silicato e poeira carbonácea. O artigo de pesquisa nos leva através da história da água em nosso Sistema Solar, e é aí que começa.
Aqui, nas extensões frias de uma nuvem molecular, quando o oxigênio encontra uma partícula de poeira, ele congela e se adere à superfície.
Mas a água não é água até que os hidrogênios e oxigênios se combinem, e as moléculas de hidrogênio mais leves na nuvem pulam pelas partículas de poeira congeladas até que encontrem oxigênio.
Quando isso acontece, eles reagem e formam gelo de água – dois tipos de água: água regular e água pesada contendo deuterium.
Deuterium é um isótopo de hidrogênio chamado hidrogênio pesado (HDO). Ele tem um próton e um nêutron em seu núcleo. Isso o separa do hidrogênio “regular”, chamado protium. O protium tem um próton mas não tem nêutron. Ambos os isótopos de hidrogênio são estáveis e persistem até hoje, e ambos podem se combinar com oxigênio para formar água.
Quando o gelo de água forma um manto sobre as partículas de poeira, os autores chamam isso de fase fria, a primeira etapa no processo descrito no artigo.
A gravidade começa a se exercitar na nuvem enquanto a matéria se agrupa no centro. Mais massa cai no centro da nuvem molecular e começa a formar uma protostrela. Parte da gravidade é convertida em calor, e dentro de algumas unidades astronômicas (UA) do centro da nuvem, os gases e poeira no disco atingem 100 Kelvin (ou -173,1 °C).
-173,1 °C é frio congelante em termos terrestres. Mas em termos químicos, é o suficiente para desencadear a sublimação, e o gelo muda de fase para vapor de água. A sublimação ocorre em uma região quente corino, uma envoltória quente ao redor do centro da nuvem.
Embora também contenham moléculas orgânicas complexas, a água se torna a molécula mais abundante nos corinos.
A água é abundante nesse ponto, embora seja toda vapor. “Um corino quente típico contém cerca de 10.000 vezes mais água do que os oceanos da Terra”, escrevem os autores.
Isso é a etapa dois no processo descrito pelos autores, e eles chamam isso de fase protostelar.
Em seguida, a estrela começa a girar, e os gases e poeira circundantes formam um disco plano e rotativo chamado disco protoplanetário. Tudo o que eventualmente se tornará os planetas e outras características do sistema solar está dentro desse disco.
A jovem protostrela ainda está reunindo massa, e sua vida de fusão na sequência principal ainda está bem no futuro.
A jovem estrela gera algum calor a partir de choques em sua superfície, mas não muito. Então, o disco está frio, e as regiões mais distantes da jovem protostrela são as mais frias. O que acontece a seguir é crucial, de acordo com os autores.
O gelo de água que se formou na etapa um é liberado em gás na etapa dois, mas recondensa novamente nas regiões mais frias do disco protoplanetário. A mesma população de partículas de poeira é novamente coberta por um manto de gelo.
Mas agora, as moléculas de água nesse manto de gelo contêm a história da água no Sistema Solar. “Assim, as partículas de poeira são os guardiões da herança da água”, escrevem os autores.
Isso é a etapa três no processo.
Na etapa quatro, o Sistema Solar começa a tomar forma e se parecer com um sistema mais completo. Todas as coisas com as quais estamos acostumados, como planetas, asteroides e cometas, começam a se formar e a ocupar suas órbitas. E de onde eles originam? Essas pequenas partículas de poeira e suas moléculas de água congeladas duas vezes.
É essa a situação em que nos encontramos hoje. Enquanto os astrônomos não podem viajar no tempo, eles estão se tornando melhores em observar outros sistemas solares jovens e encontrar pistas para todo o processo. A água da Terra também contém uma dica importante: a relação de água pesada para água regular.
Alguns detalhes são deixados de fora da explicação simples dada até agora. Quando o gelo de água se forma na primeira etapa, a temperatura é extremamente baixa. Isso desencadeia um fenômeno incomum chamado superdeuteração. A superdeuteração introduz mais deutério no gelo de água do que em outras temperaturas.
O deutério só foi formado nos segundos seguintes ao Big Bang. Não se formou muito: apenas um deutério para cada 100.000 átomos de prótio.
Isso significa que se o deutério fosse misturado uniformemente com a água do Sistema Solar, a abundância de água pesada seria expressa como 10-5. Mas há mais complexidade por vir.
Em um corino quente, a abundância muda. “No entanto, em corinos quentes, a relação HDO/H2O é apenas um pouco menor que 1/100”, explicam os autores. (HDO são moléculas de água contendo dois isótopos de deutério e H2O é água regular contendo dois isótopos de prótio.)
Há ainda mais extremidade. “Para tornar as coisas ainda mais extremas”, explicam os autores, “a água duplamente deuterada D2O é 1/1000 em relação a H2O, ou seja, cerca de 107 vezes maior do que seria estimado a partir da proporção de abundância elementar D/H”.
As proporções contêm grandes abundâncias de deutério por causa da superdeuteração. No momento em que o gelo se forma nas superfícies dos grãos de poeira, há um número maior de átomos D em comparação com os átomos de H pousando nas superfícies dos grãos.
A explicação química detalhada está além do escopo deste artigo, mas a conclusão é clara.
“Não há outras maneiras de obter essa grande quantidade de água pesada em corinos quentes nem em geral”, escrevem os autores. “Portanto, a abundância de água pesada é uma marca registrada da síntese de água no aglomerado de nuvens moleculares frias durante a era STEP 1.”
O importante até agora é que há dois episódios de síntese de água. A primeira acontece quando o sistema solar ainda não se formou e é apenas uma nuvem fria. A segunda é quando os planetas se formam.
Os dois acontecem em condições diferentes, e essas condições deixam sua marca isotópica na água. A água da primeira síntese tem 4,5 bilhões de anos, e a questão é: “Quanto dessa água antiga chegou à Terra?”
Para descobrir isso, os autores observaram as duas únicas coisas que puderam: a quantidade total de água e a quantidade de água deuterada.
Como dizem os autores, “… ou seja, a proporção de água pesada sobre água normal, HDO/H2O.”
Água mais do que suficiente foi criada para dar conta da água da Terra. Lembre-se que a quantidade de água no corino quente era 10.000 vezes maior que a da Terra, e sua relação HDO/H2O é diferente da água formada na nuvem inicial.
Quanto da água corino atingiu a Terra? Uma dica pode ser encontrada comparando os valores de HDO/H2O em águas terrestres com os de corinos quentes.
Corinos quentes são o único lugar onde observamos HDO em quaisquer sistemas planetários do tipo solar ainda em formação. Em pesquisas anteriores, os cientistas compararam essas proporções com as proporções de objetos em nosso Sistema Solar – cometas, meteoritos e a lua gelada de Saturno, Encélado.
Assim, eles sabem que a abundância de água pesada da Terra, a relação HDO/H2O, é cerca de dez vezes maior do que no Universo e no início do Sistema Solar.
“A água ‘pesada sobre o normal’ na Terra é cerca de dez vezes maior que a razão elementar D/H no Universo e, consequentemente, no nascimento do Sistema Solar, no que é chamado de nebulosa solar”, explicam os autores.
Os resultados de todo esse trabalho mostram que entre 1% e 50% da água da Terra veio da fase inicial do nascimento do Sistema Solar. Essa é uma ampla gama, mas ainda é uma parte significativa do conhecimento.
“A água em cometas e asteróides (da qual se origina a grande maioria dos meteoritos) também foi herdada desde o início em grandes quantidades. A Terra provavelmente herdou sua água original predominantemente de planetesimais, que supostamente são os precursores dos asteróides e planetas que formou a Terra, e não dos cometas que choveram sobre ela.”
A entrega por cometas é outra hipótese para a água da Terra. Nessa hipótese, a água congelada além da linha de gelo atinge a Terra quando os cometas são perturbados e enviados da Nuvem de Oort congelada para o Sistema Solar interno. A ideia faz sentido.
Mas este estudo mostra que isso pode não ser verdade.
Ainda deixa perguntas sem resposta, no entanto. Não explica como toda a água chegou à Terra. Mas o estudo mostra que a quantidade de água pesada na Terra é pelo menos o começo para descobrir isso.
“Em conclusão, a quantidade de água pesada na Terra é o nosso fio de Ariadne, que pode nos ajudar a sair do labirinto de todas as rotas possíveis que o Sistema Solar pode ter feito”, explicam.
A água da Terra tem 4,5 bilhões de anos, como diz o título do artigo. Pelo menos parte disso é. Segundo os autores, os planetesimais provavelmente o entregaram à Terra, mas exatamente como isso acontece não está claro. Há muito mais complexidade que os cientistas precisam resolver antes que possam descobrir isso.
“A questão é bastante complicada porque a origem e a evolução da água da Terra estão inevitavelmente conectadas com outros participantes importantes neste planeta, por exemplo, carbono, oxigênio molecular e o campo magnético”, escrevem os autores.
Essas coisas estão todas envolvidas em como a vida se originou e como os mundos se formaram. A água provavelmente desempenhou um papel na formação dos planetesimais que a trouxeram para a Terra. A água provavelmente desempenhou um papel no sequestro de outros produtos químicos, incluindo os blocos de construção da vida, em corpos rochosos que os trouxeram para a Terra.
A água está no centro de tudo e, ao mostrar que parte dela remonta aos primórdios do Sistema Solar, os autores forneceram um ponto de partida para descobrir o resto.
“Aqui, apresentamos uma história inicial simplificada da água da Terra de acordo com as observações e teorias mais recentes”, escrevem eles.
“Uma boa fração da água terrestre provavelmente se formou no início do nascimento do Sistema Solar, quando era uma nuvem fria de gás e poeira, congelada e conservada durante as várias etapas que levaram à formação de planetas, asteróides e cometas e foi eventualmente transmitida para a Terra nascente.
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