Seth Jacobson, da Michigan State University, e colegas na China e na França revelaram uma nova teoria que pode ajudar a resolver um mistério galáctico de como nosso sistema solar evoluiu. Especificamente, como os gigantes gasosos – Júpiter, Saturno, Urano e Netuno – acabaram onde estão, orbitando o Sol como fazem?
A pesquisa também tem implicações sobre como planetas terrestres como a Terra foram formados e a possibilidade de que um quinto gigante gasoso espreita a 80 bilhões de quilômetros de distância.
“Nosso sistema solar nem sempre teve a aparência que tem hoje. Ao longo de sua história, as órbitas dos planetas mudaram radicalmente”, disse Jacobson, professor assistente do Departamento de Ciências da Terra e Ambientais da Faculdade de Ciências Naturais. “Mas podemos descobrir o que aconteceu.”
A pesquisa, publicada na revista Nature em 27 de abril, oferece uma explicação para o que aconteceu com gigantes gasosos em outros sistemas solares e no nosso.
É um modelo legal
As estrelas nascem de nuvens maciças e rodopiantes de gás e poeira cósmicos. Uma vez que nosso sol se acendeu, o sistema solar primitivo ainda estava cheio de um disco primordial de gás que desempenhou um papel fundamental na formação e evolução dos planetas, incluindo os gigantes gasosos.
No final do século 20, os cientistas começaram a acreditar que os gigantes gasosos inicialmente circulavam o Sol em órbitas organizadas, compactas e uniformemente espaçadas. Júpiter, Saturno e os outros, no entanto, há muito se estabeleceram em órbitas relativamente oblongas, tortas e espalhadas.
Portanto, a questão para os pesquisadores agora é “Por quê?”
Em 2005, uma equipe internacional de cientistas propôs uma resposta a essa pergunta em um trio de artigos históricos da Nature. A solução foi originalmente desenvolvida em Nice, na França, e é conhecida como modelo de Nice. Ele postula que houve uma instabilidade entre esses planetas, um conjunto caótico de interações gravitacionais que finalmente os colocou em seus caminhos atuais.
“Esta foi uma mudança tectônica na forma como as pessoas pensavam sobre o sistema solar primitivo”, disse Jacobson.
O modelo de Nice continua sendo uma das principais explicações, mas nos últimos 17 anos, os cientistas descobriram novas perguntas sobre o que desencadeia a instabilidade do modelo de Nice.
Por exemplo, pensava-se originalmente que a instabilidade do gigante gasoso ocorreu centenas de milhões de anos após a dispersão daquele disco de gás primordial que deu origem ao sistema solar. Mas evidências mais recentes, incluindo algumas encontradas em rochas lunares recuperadas pelas missões Apollo, sugerem que isso aconteceu mais rapidamente. Isso também levanta novas questões sobre como o sistema solar interior que abriga a Terra evoluiu.
Trabalhando com Beibei Liu, da Universidade de Zhejiang, na China, e Sean Raymond, da Universidade de Bordeaux, na França, Jacobson ajudou a encontrar uma solução relacionada ao início da instabilidade. A equipe propôs um novo gatilho.
“Acho que nossa nova ideia pode realmente relaxar muitas tensões no campo, porque o que propusemos é uma resposta muito natural para quando ocorreu a instabilidade do planeta gigante”, disse Jacobson.
O novo gatilho
A ideia começou com uma conversa que Raymond e Jacobsen tiveram em 2019. Eles teorizaram que os gigantes gasosos podem ter sido colocados em seus caminhos atuais por causa de como o disco de gás primordial evaporou. Isso poderia explicar como os planetas se espalharam muito mais cedo na evolução do sistema solar do que o modelo de Nice originalmente postulou e talvez até mesmo sem a instabilidade para empurrá-los para lá.
“Nós nos perguntamos se o modelo de Nice era realmente necessário para explicar o sistema solar”, disse Raymond. “Tivemos a ideia de que os planetas gigantes poderiam se espalhar por um efeito de ‘rebote’ à medida que o disco se dissipasse, talvez sem nunca se tornar instável.”
Raymond e Jacobsen então procuraram Liu, que foi pioneiro nessa ideia de efeito rebote por meio de extensas simulações de discos de gás e grandes exoplanetas – planetas em outros sistemas solares – que orbitam perto de suas estrelas.
“A situação em nosso sistema solar é um pouco diferente porque Júpiter, Saturno, Urano e Netuno estão distribuídos em órbitas mais amplas”, disse Liu. “Após algumas iterações de sessões de brainstorming, percebemos que o problema poderia ser resolvido se o disco de gás se dissipasse de dentro para fora”.
A equipe descobriu que essa dissipação de dentro para fora forneceu um gatilho natural para a instabilidade do modelo Nice, disse Raymond.
“Acabamos fortalecendo o modelo de Nice em vez de destruí-lo”, disse ele. “Esta foi uma ilustração divertida de testar nossas ideias preconcebidas e seguir os resultados onde quer que eles levem.”
Com o novo gatilho, a imagem no início da instabilidade parece a mesma. Ainda há um sol nascente cercado por uma nuvem de gás e poeira. Um punhado de jovens gigantes gasosos gira em torno da estrela em órbitas limpas e compactas através dessa nuvem.
“Todos os sistemas solares são formados em um disco de gás e poeira. É um subproduto natural de como as estrelas se formam”, disse Jacobson. “Mas quando o sol acende e começa a queimar seu combustível nuclear, ele gera luz solar, aquecendo o disco e, eventualmente, soprando-o de dentro para fora.”
Isso criou um buraco crescente na nuvem de gás, centrada no sol. À medida que o buraco crescia, sua borda varria cada uma das órbitas dos gigantes gasosos. Essa transição leva à instabilidade necessária do planeta gigante com probabilidade muito alta, de acordo com as simulações de computador da equipe. O processo de deslocamento desses grandes planetas para suas órbitas atuais também se move rapidamente em comparação com a linha do tempo original do modelo de Nice de centenas de milhões de anos.
“A instabilidade ocorre logo que o disco gasoso do Sol se dissipou, limitado a alguns milhões de anos a 10 milhões de anos após o nascimento do sistema solar”, disse Liu.
O novo gatilho também leva à mistura de material do sistema solar externo e do sistema solar interno. A geoquímica da Terra sugere que tal mistura precisava acontecer enquanto nosso planeta ainda está no meio da formação.
“Esse processo realmente vai agitar o sistema solar interno e a Terra pode crescer a partir disso”, disse Jacobson. “Isso é bastante consistente com as observações.” Explorar a conexão entre a instabilidade e a formação da Terra é um tema de trabalho futuro para o grupo.
Por fim, a nova explicação da equipe também vale para outros sistemas solares em nossa galáxia, onde os cientistas observaram gigantes gasosos orbitando suas estrelas em configurações como as que vemos na nossa.
“Somos apenas um exemplo de sistema solar em nossa galáxia”, disse Jacobson. “O que estamos mostrando é que a instabilidade ocorreu de uma maneira diferente, mais universal e mais consistente.”
Planeta 9 do espaço sideral
Embora o artigo da equipe não enfatize isso, Jacobson disse que o trabalho tem implicações para um dos debates mais populares e ocasionalmente acalorados sobre nosso sistema solar: quantos planetas ele tem?
Atualmente, a resposta é oito, mas acontece que o modelo de Nice funcionou um pouco melhor quando o sistema solar inicial tinha cinco gigantes gasosos em vez de quatro. Infelizmente, de acordo com o modelo, esse planeta extra foi lançado do nosso sistema solar durante a instabilidade, o que ajuda os gigantes gasosos restantes a encontrar suas órbitas.
Em 2015, no entanto, pesquisadores da Caltech encontraram evidências de que ainda pode haver um planeta não descoberto nos arredores do sistema solar, a cerca de 80 bilhões de quilômetros do Sol, cerca de 77 bilhões de quilômetros mais longe do que Netuno.
Ainda não há provas concretas de que esse planeta hipotético – apelidado de Planeta X ou Planeta 9 – ou o planeta “extra” do modelo de Nice realmente exista. Mas, se o fizerem, eles poderiam ser um e o mesmo?
Jacobson e seus colegas não conseguiram responder a essa pergunta diretamente com suas simulações, mas poderiam fazer a próxima melhor coisa. Sabendo que seu gatilho de instabilidade reproduz corretamente a imagem atual do nosso sistema solar, eles poderiam testar se seu modelo funciona melhor começando com quatro ou cinco gigantes gasosos.
“Para nós, o resultado foi muito semelhante se você começar com quatro ou cinco”, disse Jacobson. “Se você começar com cinco, é mais provável que termine com quatro. Mas se você começar com quatro, as órbitas acabam combinando melhor.”
De qualquer forma, a humanidade deve ter uma resposta em breve. O Observatório Vera Rubin, programado para entrar em operação até o final de 2023, deve ser capaz de detectar o Planeta 9 se estiver lá fora.
O “Planeta 9 é super controverso, então não enfatizamos isso no jornal”, disse Jacobson, “mas gostamos de falar sobre isso com o público”.
É um lembrete de que nosso sistema solar é um lugar dinâmico, ainda cheio de mistérios e descobertas esperando para serem feitas.
Publicado em 01/05/2022 17h35
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