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Após 350 anos, os astrônomos ainda não conseguem explicar a lua mais estranha do sistema solar

Jápeto de Saturno, descoberto em 1671, tem três características bizarras que a ciência ainda não consegue explicar completamente.

O Iapetus de dois tons é a lua mais estranha conhecida em todo o sistema solar. A combinação de sua cor, forma, crista equatorial e parâmetros orbitais escapa a uma explicação coesa e convincente cerca de 350 anos após sua descoberta original. (Crédito: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/Cassini)

Principais conclusões

• Jápeto, a segunda lua já descoberta em torno de Saturno em 1671, tem três propriedades bizarras que a ciência ainda luta para explicar.
• Ele orbita fora do plano de Saturno e tem uma aparência de dois tons, uma protuberância equatorial e uma crista gigante.
• Como ele formou e desenvolveu essas propriedades estranhas? 350 anos depois, ainda não sabemos.

Depois de não ter ferramentas superiores a nossos olhos nus para explorar o universo, o século 17 inaugurou uma revolução com a adoção do telescópio. Com aberturas maiores e o poder de coletar mais luz de uma só vez, objetos além dos limites da visibilidade humana – tanto em termos de resolução quanto de desmaio – de repente se transformaram de inobserváveis ​​em observáveis ​​à vontade. Quase imediatamente, novos objetos e características tornaram-se aparentes, incluindo as quatro principais luas de Júpiter, as fases de Vênus, os anéis de Saturno com muitas características internas e muito mais.

Então, em 1671, o astrônomo italiano Giovanni Cassini estava observando Saturno, já conhecido por possuir uma lua gigante, Titã, e descobriu outra lua: Jápeto . Enquanto a Cassini faria muitas outras descobertas sobre Saturno, incluindo várias outras luas, Jápeto foi uma das coisas mais estranhas que alguém já viu no céu. A Cassini descobriu Jápeto no lado oeste de Saturno, mas quando o procurou mais tarde em sua órbita, no lado leste de Saturno, não estava lá. A lua permaneceu desaparecida por décadas até que, com um telescópio significativamente atualizado, a Cassini finalmente a viu, duas magnitudes mais fracas do que parece no lado oeste de Saturno, em 1705. Por mais notável que tenha sido, foi apenas o começo para entender o mistério. de Jápeto: a lua mais estranha do nosso sistema solar.

Comparada com a Terra, ou mesmo a lua da Terra, a lua de Saturno Jápeto parece pequena e insignificante. No entanto, continua sendo um dos poucos corpos do sistema solar com mais de 1.000 quilômetros de diâmetro, a terceira maior lua de Saturno e talvez a lua menos compreendida em nosso sistema solar. ( Crédito : Tom.Reding e Ppong.it, Wikimedia Commons)

Hoje, temos o luxo de centenas de anos de avanços científicos à nossa disposição e tecnologias com as quais a Cassini só poderia ter sonhado. Os telescópios modernos têm centenas de vezes o poder de captação de luz dos maiores telescópios de sua época, com vistas que nos levam a comprimentos de onda que o olho humano não pode observar, com numerosos observatórios localizados no espaço e com alguns deles - como a Voyager 1 ou a missão Cassini da NASA – na verdade viajando e imaginando esses mundos distantes no local .

Saturno, como todos os mundos gigantes gasosos em nosso sistema solar, tem seu próprio e rico sistema de satélites, em grande parte na forma de luas e anéis. Os anéis principais são de longe a característica mais proeminente, com pequenas luas jovens e pequenas luas dentro. Fora dos anéis principais, Saturno possui oito luas importantes e proeminentes:

• Mimas
• Encélado
• Tétis
• Dione
• Reia
• Titã
• Hyperion
• Jápeto

Dessas oito luas, Jápeto não é apenas a mais externa, mas também possui três características específicas que a tornam única.

A órbita de Jápeto se estende por mais de duas vezes o diâmetro de qualquer uma das outras grandes luas de Saturno. Tanto a vista de cima para baixo quanto a lateral mostram a extensão da órbita de Jápeto em relação às outras luas, enquanto apenas a vista lateral ilustra a inclinação orbital de Jápeto ao redor do equador de Saturno. ( Créditos : Inglês Wikipédia usuário O Texugo Cantor)

1.) Jápeto não orbita no mesmo plano que o resto do sistema saturniano . De todos os planetas do sistema solar, Saturno gira o segundo mais rapidamente, completando uma rotação completa em torno de seu eixo em apenas 10,7 horas. Os anéis de Saturno orbitam nesse mesmo plano, feito quase exclusivamente de água gelada. E de suas oito luas mencionadas, sete delas orbitam dentro de 1,6° desse mesmo plano, com apenas Mimas tendo uma inclinação superior a meio grau.

Exceto, isto é, para Jápeto. Orbitando Saturno a mais do dobro da distância de Titã ou Hipérion, Jápeto está inclinado a 15,5° em relação ao resto do sistema saturniano: uma propriedade difícil de explicar. Normalmente, existem apenas três maneiras de fazer uma lua: a partir de um disco circumplanetário, de uma colisão que levanta grandes quantidades de detritos ou de uma captura gravitacional. Dado que Iapetus é a terceira maior lua de Saturno, que parece ter uma composição semelhante às outras luas proeminentes de Saturno e que quase não tem excentricidade orbital, mesmo o mais inteligente dos encontros gravitacionais lutam para migrar Jápeto para fora do plano de Saturno, se, de fato, é onde ele se formou originalmente.

A gigantesca cordilheira equatorial que corre ao longo de Jápeto é única no sistema solar. Essa característica semelhante a um cume traça algumas das montanhas mais altas do sistema solar, embora a natureza e a origem do cume permaneçam uma questão em aberto. ( Crédito : NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute / Cassini)

2.) Jápeto tem um equador de formato anormal . Assim como a Terra, a lua ou o sol, Jápeto não é uma esfera perfeita. No entanto, enquanto a Terra e o Sol se projetam levemente no equador e parecem comprimidos em seus pólos devido ao equilíbrio entre a gravitação e o momento angular causado por sua rotação – uma condição conhecida como equilíbrio hidrostático – as propriedades de Jápeto estão todas erradas para seu movimento. Seu equador tem um diâmetro de 1.492 quilômetros em comparação com seu diâmetro de pólo a pólo de apenas 1.424 quilômetros, o que representaria equilíbrio hidrostático se Jápeto girasse 360° a cada ~16 horas. Mas não. Jápeto está travado por maré a Saturno, o que significa que gira apenas uma vez a cada 79 dias.

Além disso, a visita da missão Cassini a Jápeto mostrou algo totalmente novo e inesperado: uma enorme cordilheira equatorial com 1.300 quilômetros de diâmetro, ou quase todo o diâmetro do planeta. A cordilheira tem cerca de 20 quilômetros de largura, 13 quilômetros de altura e segue o equador quase perfeitamente. Existem vários segmentos desconectados além do cume principal, vários picos isolados e seções onde o cume único parece se separar em três cumes paralelos. É o único mundo no sistema solar com tal característica, e todas as teorias se esforçam para explicar como esse mundo veio a ter essas propriedades equatoriais.

A diferença de cor impressionante em Jápeto é mais claramente visível se você dividir Jápeto em seus hemisférios principal e posterior, onde o hemisfério principal se parece muito com um enorme veículo que é atropelado por um enxame de insetos que se aproximam. ( Crédito : NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute / Lunar and Planetary Institute)

3.) Jápeto tem uma cor distintamente de dois tons . Acredite ou não, quando Iapetus foi descoberto pela primeira vez, essa foi precisamente a explicação avançada pelo próprio Cassini para o que estava vendo. Percebendo que o mesmo telescópio que viu Jápeto sobre o extremo oeste de Saturno deveria ter sido capaz de revelá-lo sobre o extremo leste, Cassini levantou a hipótese de que:

• um hemisfério de Jápeto deve ser intrinsecamente muito mais escuro (e mais fraco) que o outro,
• Jápeto deve estar travado por maré a Saturno, de modo que o mesmo hemisfério nos enfrentasse no mesmo ponto de sua órbita,
• essa diferença deve ser detectável quando telescópios maiores se tornarem disponíveis.

Cassini não apenas pregou suas previsões para suas observações da década de 1670, mas ele próprio foi quem fez a primeira detecção crítica de Jápeto na borda leste de Saturno quando ele mesmo obteve um equipamento superior em 1705.

Ao contrário dos outros dois enigmas, no entanto, esse quebra-cabeça foi finalmente resolvido – um feito que teria sido praticamente impossível no tempo de Cassini. Como você pode ver em um mapa colorido de Jápeto, o hemisfério principal é extremamente escuro, como se fosse marrom-avermelhado, enquanto o hemisfério posterior é branco como a neve, coberto por vários gelos voláteis.

Um mapa global de três cores de Jápeto mostra a diferença extraordinária entre as regiões claras e escuras. As regiões mais brilhantes são algo entre 10 a 20 vezes mais refletivas do que as regiões mais escuras de Jápeto. ( Crédito : NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/Lunar and Planetary Institute)

Se você já dirigiu seu carro em uma estrada através de um enxame de insetos, essas vistas de Jápeto podem trazer algumas lembranças viscerais para você. Como apenas o hemisfério principal – ou aquele que é análogo ao para-brisa do seu carro – é aquele que está diretamente na frente dele, apenas um lado fica coberto de insetos.

Claro, não há bugs no espaço. Mas além dos anéis principais de Saturno, há algo que funciona como fonte de matéria escura: uma enorme e difusa nuvem de matéria. Essa matéria não é visível na óptica, mas só foi detectável por causa de nossos telescópios espaciais infravermelhos que podiam detectar a radiação emitida pela poeira aquecida pelo sol.

Como se vê, há um anel de matéria extremamente grande, mas de baixa massa, inclinado tanto para a direção rotacional de Saturno quanto para a órbita de Jápeto, espalhado por uma distância de quase 100 milhões de quilômetros: um pouco abaixo da distância Terra-Sol.

Ao orbitar na direção oposta à forma como as partículas no anel de Phoebe orbitam, Jápeto acumula material um pouco mais escuro, preferencialmente, apenas em um lado. À medida que os gelos voláteis desse lado sublimam preferencialmente, ele deixa os depósitos mais escuros para trás, enquanto o lado rico em gelo fica mais espesso e refletivo. ( Crédito : NASA / JPL-Caltech / Cassini Science Team)

A razão para este anel de poeira externo e difuso é simples, direta e completamente contra-intuitiva. Ele vem da única outra grande lua no sistema de Saturno: o corpo capturado Phoebe, que orbita quase completamente oposta à direção de rotação de Saturno. Este corpo gelado capturado emite voláteis quando exposto ao sol e agora é considerado a causa final da cor de dois tons de Jápeto, embora a história seja um pouco mais complexa do que a história simples que você pode ter inventado.

Simples, mas incorreto : Phoebe emite partículas, elas pousam em um lado de Jápeto, e é por isso que são duas cores diferentes.

Mais complexo, mas correto : Phoebe emite partículas e Iapetus entra nesse fluxo de partículas. Quando exposto à luz solar direta, o lado de Jápeto sem essas partículas de Phoebe retém quantidades menores de calor do que o lado com essas partículas, e assim os gelos na parte mais quente são mais propensos a sublimar, onde podem pousar no lado mais frio. Com o tempo, os voláteis gelados se acumulam no lado mais frio, enquanto os voláteis gelados são fervidos do hemisfério mais quente, deixando para trás apenas as partículas não voláteis que são melhores na absorção de calor.

A aparência de pedra-pomes e a contra-rotação de Phoebe só podem ser explicadas se se originaram do Sistema Solar externo: além de onde os gigantes gasosos estão. Jápeto, no entanto, é mais consistente com uma origem semelhante às outras grandes luas de Saturno. ( Crédito : NASA/JPL/Instituto de Ciências Espaciais)

Essa é a explicação geralmente aceita de por que Jápeto tem essa natureza de dois tons. Olhando para o resto de Jápeto, existem algumas outras características que são notáveis, embora não sejam exatamente incomuns para o sistema solar. Jápeto possui uma superfície repleta de crateras, onde um pequeno número de grandes e antigas crateras se encontram sob uma história recente mais copiosamente cheia de crateras. Também é rico em material mais escuro que ocupa as regiões baixas, enquanto os gelos voláteis cobrem a área fortemente inclinada. Além disso, o lado voltado para Saturno tem uma cordilheira equatorial contínua, enquanto o lado longe de Saturno tem apenas algumas montanhas parcialmente brilhantes separadas por regiões mais planas.

Quando olhamos para todos esses fatos juntos, juntamente com as propriedades de massa de Jápeto, como sua densidade e composição, podemos construir um cenário que não é necessariamente 100% correto (e certamente não é geralmente aceito), mas que fornece uma explicação plausível de como Iapetus veio a ser.

Estas duas imagens globais de Jápeto mostram a extrema dicotomia de brilho na superfície desta peculiar lua de Saturno. O painel da esquerda mostra o hemisfério principal da lua e o painel da direita mostra o lado posterior da lua. ( Crédito : NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)

Nos primórdios do sistema solar, o proto-sol estava se aquecendo enquanto instabilidades se formavam no disco protoplanetário circundante. As duas maiores e mais antigas instabilidades cresceriam nos mundos verdadeiramente gigantes Júpiter e Saturno, enquanto todos os gigantes gasosos desenvolveram discos circumplanetários. Cada um desses discos se fragmentaria, formando uma série de luas todas no mesmo plano. Um deles foi Jápeto, que pode ter se formado a partir de uma colisão massiva precoce no jovem sistema saturniano, ou foi perturbado para fora do plano saturnino por meio de interações gravitacionais. Jápeto, das oito maiores luas de Saturno, torna-se a única a partir da qual o sistema de anéis é visível.

Nos primeiros dias deste sistema, Jápeto estava girando rapidamente, fazendo com que ele inchasse. Rapidamente solidificou, enquanto grandes impactos criaram suas cinco maiores crateras e levantaram detritos. Alguns desses detritos podem ter formado um anel ou uma lua que foi fragmentado por maré em um disco de detritos, que então caiu na superfície de Jápeto, formando a crista equatorial, enquanto a protuberância ficou congelada. hemisfério principal de Jápeto, fazendo com que os gelos sublimam e depositem material escurecido. Ao longo do restante da história do sistema solar, os gelos se aglomeram no hemisfério à direita, deixando o material escurecido se acumular no lado da frente. Até os dias atuais, tem quase um pé (cerca de 25 a 30 cm) de espessura.

Uma visão gerada por computador de Saturno vista de Jápeto, com base em imagens da Cassini e técnicas de reconstrução física. ( Crédito : NASA/JPL-Caltech/Cassini)

E, no entanto, por mais promissor que seja esse cenário, não dispomos atualmente de informações suficientes para validá-lo ou descartar alternativas. A crista equatorial e a protuberância poderiam ter se formado se a crosta de Jápeto congelasse nos estágios iniciais da lua, com a crista vindo de material gelado que ressurgiu e solidificado. Alternativamente, uma grande quantidade de alumínio-26 poderia ter ficado preso no interior da lua , aquecendo Iapetus e criando esses recursos. E com base no fato de que não há corpos no plano mais distantes do que Jápeto, é possível, embora não favorecido, que este seja de fato um corpo capturado, como o Tritão de Netuno, que ejetou qualquer sistema primitivo que o corpo planetário principal já possuía em seu caminho para a captura gravitacional.

Na ciência, é importante manter dois processos de pensamento conflitantes simultaneamente. Por um lado, você precisa considerar o conjunto completo de fenômenos e propriedades observados em todo o sistema que está investigando e assumir a posição que explica de maneira mais abrangente tudo o que é visto sem nenhum conflito de rompimento. Por outro lado, você deve considerar todas as explicações concebíveis que não sejam definitivamente descartadas, deixando sua mente aberta para revisar todos os aspectos se dados mais novos e melhores o obrigarem a fazê-lo. Aqui estamos em 2021, 350 anos completos após a descoberta de Jápeto, e ainda não podemos explicar tudo de forma decisiva. Tal é a natureza — e tais são as limitações — do processo científico.

Neste artigo Espaço e Astrofísica

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