Mini-luas: A linha de produção da Lua

Título: A multiple-impact origin for the Moon (pdf)

Autores: Raluca Rufu, Oded Aharonson, Hagai Perets

Instituição do primeiro autor: Weizmann Institute of Science

Status: Publicado na revista Nature Geoscience (acesso fechado)

A Hipótese do Grande Impacto postula que a Lua nasceu de uma colisão catastrófica entre a Terra primordial e um planeta do tamanho de Marte conhecido como Theia, que teria mais ou menos 10% da massa da Terra. Essa ideia foi proposta inicialmente em 1946 e ganhou bastante tração devido à similaridade entre a composição da Lua e da Terra, entre outras razões. Mais especificamente, a proporção isotópica de vários elementos na Lua — inclusive oxigênio — é idêntica ao que é observado na Terra em uma precisão de 0,01%. Infelizmente, simulações recentes mostram que impactos grandes raramente produzem dois objetos tão idênticos porque a Lua acabaria sendo formada com o mesmo material do planeta impactante, e não da Terra. A similaridade entre a Terra e a Lua que ajudou a inspirar a Hipótese do Grande Impacto acabou se tornando um dos mistérios mais enigmáticos a ser resolvido.

Raluca Rufu, Oded Aharonson, e Hagai Perets — os autores do artigo dessa semana — propõem uma solução para o problema através de uma modificação na Hipótese do Grande Impacto. Ao invés de a Lua se formar de um grande impacto, eles sugerem que ela foi formada a partir de uma série de impactos de tamanho mediano espalhados durante milhões de anos.

A cascata de mini-luas

Como podemos ver na Figura 1, esse novo cenário começa do mesmo jeito que a Hipótese do Grande Impacto. Inicialmente, temos um embrião planetário com tamanho entre o da Lua e o de Marte colidindo com a Terra, espalhando uma imensa nuvem de detritos em órbita em torno do nosso planeta em apenas alguns dias. O detrito forma um disco que eventualmente coalesce a uma pequena proto-Lua (que os autores chamam de moonlet, ou mini-lua) ao longo de vários séculos. Durante esse tempo, a mini-lua gradualmente migra para longe da Terra à medida que a dissipação por marés diminui a sua velocidade de rotação.

Depois de milhões de anos, um outro embrião colide com a Terra, criando um novo disco de detritos entre a Terra e a mini-Lua. Novamente, o disco vai formar uma outra mini-lua, que migra para fora e eventualmente merge com a primeira mini-lua. O processo se repete e depois de algumas dezenas de impactos, a mini-lua original cresce gradualmente e adquire o tamanho que a Lua tem atualmente!

Figura 1. Esquema de como a Lua pode ter se formado a partir de vários impactos. Veja descrição no texto principal.

Rufu e colaboradores usam um tipo de simulação hidrodinâmica de partículas para produzir modelos dos impactos. Cada impacto leva apenas 24 horas em tempo real para ser simulado e verificar qual a fração de material acaba formando o disco de detritos. Os autores então determinam a massa final de cada mini-lua assumindo que todo o material no disco além do limite de Roche acaba formando a mini-lua; o resto do disco, que está mais perto da Terra, acaba caindo no nosso planeta. Eles então usam simulações do tipo Monte Carlo para criar cadeias aleatórias de 10, 20 ou 30 pequenos impactantes que resultam uma única lua.

Resultados dos impactos

Os autores simulam 864 diferentes cenários de impactos nos quais eles variam quatro parâmetros: (1) a massa do corpo impactante — entre 1 e 9 massas lunares, (2) a velocidade do corpo impactante — de 1 a 4 vezes o valor mínimo possível para impacto, (3) o ângulo do impacto — entre -60 e 60 graus, e (4) a velocidade de rotação da Terra.

Na Hipótese do Grande Impacto, um corpo impactante tem que acertar a Terra de frente (ângulo próximo a zero grau) e a alta velocidade (4 vezes a velocidade de escape) para produzir uma lua formada primariamente de material da Terra ao invés do impactante (e então possuir as mesmas razões isotópicas que o nosso planeta). No entanto, como a Figura 2 mostra, o modelo de vários impactos permite que os pequenos corpos impactantes colidam a velocidades menores (2 vezes a velocidade de escape) e com ampla variedade de ângulos (entre -30 e 30 graus) e ainda assim produz uma Lua com as mesmas razões isotópicas que a Terra.

Figura 2. Propriedades das mini-luas (massa e diferença de composição; circulado com retângulo azul) para diferentes parâmetros (velocidade, ângulo e massa do impactante; circulado em vermelho). Resultados para as quatro massas do impactante são distribuídos da esquerda para a direita em cada ângulo de impacto. O tamanho dos símbolos representa a massa da mini-lua. Se não há um círculo é porque um disco de detritos não foi formado. Círculos azuis (< 10%) são mais propícios a formar o par Terra-Lua com razões isotópicas quase idênticas.

No geral, Rufu e colaboradores perceberam que pelo menos 20 impactantes são necessários para criar um objeto com a massa da Lua em 40% das cadeias. Além disso, 17% dessas cadeias de impacto levam a uma lua que tem composição idêntica à da Terra.

Esse modelo se ajusta melhor às razões isotópicas por duas razões. Primeiro, é mais comum que mini-luas se formem predominantemente de material da Terra do que uma única lua se forma de um grande impacto. Segundo, as cadeias de impacto contribuem mais eficientemente porque resulta em mini-luas com razões isotópicas maiores ou menores que a da Terra, mas como um todo essas diferenças se cancelam e produzem valores médios similares aos da Terra.

Espaço para melhorias

Os autores concluem que é mais difícil reproduzir os valores atuais do momento angular total do sistema Terra-Lua. Apenas 10% das cadeias de impacto terminam com valores de momento angular similares ao que observamos atualmente. No entanto, há um consolo no fato de que 50% desses sistemas atingem o atual valor de momento angular em algum momento durante a sequência de impactos, não somente no fim do mesmo. Esse problema de timing pode ser amenizado já que o momento angular pode aumentar ou diminuir drasticamente com cada impacto, e por isso é estabelecido aleatoriamente pelas propriedades dos últimos corpos impactantes.

Figura 3. Momento angular final de cada impacto relativo ao momento angular total do sistema Terra-Lua (L_EM). Idealmente, o impacto deve criar um sistema com pelo menos o mesmo valor do momento angular total do sistema Terra-Lua. Impactos que têm diferenças de composição pequenas o suficiente (< 10%) para produzir razões isotópicas realistas são marcados com círculos.

Além disso, Rufu e colaboradores deixam claro que eles não simulam a formação de uma mini-lua a partir do disco de detritos ou fusões de várias mini-luas. Ao invés disso, eles assumem que todo o material é usado para formar mini-luas e que as mesmas se fundem sem perder material. Eles planejam expandir essas ressalvas em estudos posteriores. Por agora, os autores mostraram que a origem da Lua parece ser mais complexa do que pensávamos anteriormente.


Crédito da imagem em destaque: Lunar and Planetary Institute

Este post é baseado no texto Moonlets: The Moon’s Assembly Line, de autoria de Michael Hammer no Astrobites.

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