Estranhas bolhas no manto profundo são os restos de um antigo planeta

Grandes províncias de baixa velocidade (LLVPs) no manto profundo da Terra podem ser remanescentes do material do manto Theyyan. Crédito: Hongping Ding e Hangzhou Field Studio

Um estudo do Instituto de Tecnologia da Califórnia 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 materiais incomuns do tamanho de um continente foram encontradas nas profundezas do centro da Terra, uma abaixo do continente africano e outra abaixo do Oceano Pacífico. Cada ponto tem cerca de duas vezes o tamanho da Lua e é provavelmente composto por diferentes proporções de elementos em comparação com o manto circundante.

Ativos municipais grandes e de baixa velocidade

De onde vieram essas bolhas estranhas – oficialmente conhecidas como Grandes Províncias de Baixa Velocidade (LLVPs)? Um novo estudo realizado por investigadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia sugere que se trata dos restos de um antigo planeta que colidiu violentamente com a Terra há milhares de milhões de anos no mesmo impacto gigante que deu origem à nossa Lua.

O estudo foi publicado na revista natureza No dia 1º de novembro, também propõe uma resposta para outro mistério da ciência planetária. Os investigadores há muito que assumem que a Lua foi criada após uma colisão gigante entre a Terra e um planeta mais pequeno chamado Theia, mas nenhum vestígio de Theia foi encontrado na cintura de asteróides ou em meteoritos. Este novo estudo sugere que a maior parte de Theia foi absorvida pela jovem Terra, formando LLVPs, enquanto os detritos remanescentes da colisão foram absorvidos pela Lua.

Visualização da Terra com grandes “bolhas” de matéria densa perto do núcleo da Terra. Esses pontos foram descobertos na década de 1980. Agora, os pesquisadores sugerem que na verdade são 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 dirigida por Qian Yuan, pesquisador associado de pós-doutorado Oakey Earle nos laboratórios de Paul Asimo (MS ’93, PhD ’97), Eleanor e John R. MacMillan Professor de Geologia e Geoquímica; e Michael Jorness, professor de geofísica John E. e Hazel S. Smits e presidente de liderança Clarence R. Allen, diretor do Laboratório Sísmico 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 terem um nível invulgarmente elevado de ferro. Este alto teor de ferro significa que as áreas são mais densas do que os seus arredores, fazendo com que as ondas sísmicas que as atravessam diminuam, dando origem ao nome de “grandes províncias de baixa velocidade”.

Yuan, geofísico de formação, estava participando de um simpósio sobre formação planetária ministrado por Mikhail Zolotov, professor da Universidade Estadual do Arizona, em 2019. Zolotov apresentou a hipótese do impacto gigante, enquanto Qian apontou que a lua é relativamente rica em ferro. Zolotov acrescentou que não foram encontrados vestígios do veículo, que certamente colidiu com o solo.

“Logo depois de Michael dizer que ninguém sabe onde está o objeto de impacto agora, tive um ‘momento eureka’ e percebi que o objeto de impacto rico em ferro poderia ter sido transformado em bolhas do manto”, diz Yuan.

Simulação detalhada do impacto de Theia com a Terra. Embora o impacto tenha sido violento, não foi suficientemente poderoso para derreter o manto inferior da Terra, o que significa que os restos de Theia poderiam ter sido preservados, em vez de misturados homogeneamente com o material da Terra. Crédito: Hong Bing Ding

Yuan trabalhou com colaboradores interdisciplinares para modelar diferentes cenários para a composição química de Theia e seu impacto na Terra. Simulações confirmaram que a física da colisão poderia levar à formação tanto dos LLVPs quanto da Lua. É possível que parte do manto de Theia tenha sido incorporado ao manto da Terra, onde eventualmente se agrupou e se cristalizou para formar as duas bolhas distintas que podem ser detectadas hoje na fronteira manto-núcleo; Outros detritos da colisão se misturaram para formar a Lua.

Implicações e pesquisas futuras

Dado este impacto violento, porque é que o material de Theia se acumulou nos dois pontos distintos em vez de se misturar com o resto do planeta em formação? As simulações dos investigadores mostraram que grande parte da energia do impacto de Theia permaneceu na metade superior do manto, deixando o manto inferior da Terra mais frio do que os modelos anteriores de impacto de baixa resolução tinham estimado. Dado que o manto inferior não foi completamente derretido pelo impacto, bolhas de material rico em ferro de Theia permaneceram praticamente intactas à medida que se espalhavam para a base do manto, como aglomerados coloridos de cera de parafina numa lâmpada de lava apagada. Se o manto inferior tivesse sido mais quente (isto é, recebido mais energia da colisão), teria se misturado melhor com materiais ricos em ferro, como as cores de um pote de tinta.

Os próximos passos são estudar como a presença inicial de material heterogêneo de Theia nas profundezas da Terra afetou os processos internos do nosso planeta, como as placas tectônicas.

“A consequência lógica da ideia de que os LLVPs são remanescentes de Theia é que eles são muito antigos”, diz Asimov. “Portanto, faz sentido estudar quais consequências eles tiveram na evolução inicial da Terra, como o início da subducção antes que as condições se tornassem adequadas para as placas tectônicas modernas, a formação dos primeiros continentes e a origem das placas tectônicas mais antigas. Sobrevivência dos minerais da Terra.”

Novas pesquisas respondem a dois mistérios de longa data da ciência planetária: o que são as gigantes e misteriosas “bolhas” de material perto do núcleo da Terra e o que aconteceu ao planeta que colidiu com a Terra para criar a Lua? Um novo estudo do Instituto de Tecnologia da Califórnia sugere que ainda existem vestígios deste antigo planeta na Terra, explicando as origens das “bolhas” perto da fronteira núcleo-manto.

Referência: “Colisão de formação da Lua como fonte da anomalia do manto basal da Terra” por Qian Yuan, Mingming Li e Stephen J. Desch, Byung-Kwan Koo, Hongpeng Deng e Edward J. Garnero, Travis S.J. Gabriel e Jacob A. , Vincent Ecke e Paul D. Asimov, 32 de outubro de 2023, natureza.
doi: 10.1038/s41586-023-06589-1

Qian Yuan é o primeiro autor. Além de Yuan e Asimo, um coautor adicional no Caltech é Yoshinori Miyazaki, um pesquisador de pós-doutorado de Stanback envolvido na evolução planetária comparativa. Coautores adicionais são Mingming Li, Stephen Desch e Edward Garnero (PhD ’94) da Arizona State University (ASU); Byungkwan Ko, da Universidade Estadual do Arizona e da Universidade Estadual de Michigan; Hongping Ding, da Academia Chinesa de Ciências; Travis Gabriel do USGS; Jacob Kegeris NASACentro de Pesquisa Ames; e Vincent Ecke da Universidade de Durham. O financiamento foi fornecido pela National Science Foundation, pela Aoki Earle Postdoctoral Fellowship na Caltech, pelo USGS, pela NASA e pelo Caltech Center for Comparative Planetary Evolution.