Estudos revelam como Mercúrio formou o núcleo e a crosta de grafite

Um conjunto de estudos recria em laboratório a formação do núcleo e da crosta de grafite de Mercúrio, há 4,5 bilhões de anos. A descoberta antecede a chegada da sonda europeia BepiColombo à órbita final do planeta.

O geólogo Bernard Charlier, da Universidade de Liège, e o geólogo Olivier Namur, da KU Leuven, ambas na Bélgica, lideram uma linha de pesquisa que usa petrologia experimental para reconstruir a formação de Mercúrio.

Em parceria com o Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research, da China, a equipe publicou estudos nas revistas Earth and Planetary Science Letters, Nature Communications e Advances in Geochemistry and Cosmochemistry.

O grupo recria em laboratório temperaturas entre 1.250°C e 2.170°C e pressões equivalentes às do interior do planeta. Essas condições existiam quando o calor da acreção formou um oceano de magma na superfície de Mercúrio, etapa que determinou como os elementos químicos se dividiram entre o núcleo metálico e o manto rochoso.

Como o carbono virou uma crosta de grafite

Nenhuma sonda já trouxe amostra de Mercúrio à Terra, e nenhum meteorito conhecido tem origem confirmada no planeta. Por isso, o que se sabe sobre sua composição vem de observações por telescópio e dos dados das sondas americanas Mariner 10, de 1973, e MESSENGER, de 2011.

Para reconstruir a história do planeta, os pesquisadores usaram a petrologia experimental, ramo da geologia que reproduz em laboratório as condições internas de um planeta e depois analisa os minerais, metais e gases formados. Os experimentos mostraram que o comportamento do carbono muda conforme o grau de oxidação do ambiente.

“Em condições relativamente oxidantes, o carbono é fortemente siderófilo [um elemento químico que tem alta afinidade pelo ferro e tende a se ligar ou se dissolver facilmente nele em estado fundido]”, explica Charlier ao Phys. “Ou seja, o carbono prefere o metal e por isso entra no núcleo. Mas nas condições altamente redutoras específicas de Mercúrio, ele se torna muito menos siderófilo e permanece no magma de silicato, onde acaba cristalizando como grafite.”

Comparando os resultados com a espessura da crosta de grafite calculada a partir de dados da MESSENGER, a equipe concluiu que Mercúrio se formou num ambiente extraordinariamente pobre em oxigênio.

“Nessas condições extremas, o grafite é leve demais para afundar. Ele flutua na superfície do oceano de magma e se acumula até formar uma crosta primitiva”, afirma Namur. “O modelo reproduz uma crosta de grafite entre 40 e 120 metros de espessura, compatível com a camada rica em carbono, entre 1% e 3% da massa, que as observações atribuem à superfície de Mercúrio.” Essa crosta original foi depois fragmentada por impactos de meteoritos e pelo vulcanismo que formou a crosta mais recente do planeta.

Por que o núcleo de Mercúrio ainda é parcialmente líquido

Dados geodésicos da MESSENGER mostram que o núcleo de Mercúrio é excepcionalmente grande, cerca de 70% da massa do planeta, e precisa conter elementos leves para explicar seu déficit de densidade. O carbono era um dos candidatos a preencher essa lacuna, mas os experimentos descartaram essa hipótese.

“O carbono havia sido proposto como candidato”, diz Namur. “No entanto, nas mesmas condições que permitem a formação da crosta de grafite, o estudo mostra que o núcleo permanece pobre em carbono, com menos de 5.000 microgramas por grama, ou menos de 0,5%. Essa concentração é baixa demais para explicar o déficit observado.”

Os elementos leves do núcleo devem ser, principalmente, silício e, em menor proporção, enxofre. Os dois reduzem o ponto de fusão do ferro, o que ajuda a explicar por que o núcleo de Mercúrio permanece ao menos parcialmente líquido há 4,5 bilhões de anos, condição necessária para sustentar seu campo magnético.

O enxofre também comanda o degelo do manto

O grupo também testou diretamente o papel do enxofre no manto de Mercúrio. Dados da MESSENGER já mostravam que as lavas do planeta têm entre 1,5% e 4% de enxofre em massa, concentração muito maior que a de outros planetas rochosos.

A equipe conduziu experimentos entre 1.650°C e 2.000°C e entre 3 e 5 gigapascals de pressão para simular o manto mercuriano. O resultado é até 6% de enxofre em massa reduz em até 200°C a temperatura na qual o manto derrete por completo, e o efeito é maior quanto mais pressão aumenta e mais rica em magnésio é a rocha.

Essa queda na temperatura de fusão obriga a rever as estimativas de temperatura interna necessárias para formar as províncias vulcânicas de Mercúrio:

• Para a província rica em magnésio, a mais sulfurosa, a temperatura potencial do manto cai de 1.650°C para 1.600°C.
• Para as planícies intercrateras, as planícies vulcânicas do norte e as planícies lisas, a faixa cai de 1.400–1.525°C para 1.375–1.470°C.

O manto silicático de Mercúrio deve conter entre 5% e 7% de enxofre em massa, valor menor que a estimativa anterior de 7% a 11%.

O que muda no resfriamento do oceano de magma

O enxofre também interfere no tempo que o oceano de magma levou para solidificar sob a crosta de grafite. Em uma crosta de 10 mil metros de espessura, uma depressão de 200°C na temperatura de fusão estende o tempo de resfriamento de cerca de 9.961 para 11.078 anos, um acréscimo de 11,2%. Além disso, o enxofre reduz o tamanho crítico dos cristais necessário para que eles afundem no oceano de magma, o que favorece a separação de camadas químicas distintas dentro do manto.

Somados, os dois estudos apontam para o mesmo cenário em que um manto estratificado, formado por cristalização fracionada, e um núcleo que se manteve parcialmente líquido por bilhões de anos graças ao silício e ao enxofre dissolvidos no ferro.

Da simulação em laboratório à confirmação espacial

Nada disso vem de amostra real do planeta. Os resultados são reconstruções termodinâmicas calibradas por experimentos de altíssima pressão e temperatura, não medições diretas do interior de Mercúrio. A margem de erro nas temperaturas de fusão chega a 12,5°C, e os modelos de resfriamento dependem de estimativas para a espessura da crosta de grafite, que ainda não é conhecida com precisão.

É aí que entra a sonda europeia-japonesa BepiColombo. Segundo Charlier, futuras observações da missão podem confirmar e quantificar o grafite como uma fase importante na superfície de Mercúrio, testando na prática o que hoje só existe como simulação de laboratório.

O interesse vai além de Mercúrio. Por ligar sua composição química extrema à formação da crosta de grafite e à estrutura do núcleo, a pesquisa oferece um modelo para entender outros corpos igualmente reduzidos, como o proto-Mercúrio original (mais massivo), hipotéticos planetas do tipo “super-Mercúrio”, exoplanetas ricos em carbono e a própria Terra primitiva, construída majoritariamente a partir de material reduzido.