Pergunte a Ethan #82: Por que os planetas estão todos no mesmo plano?
Crédito da imagem: Thomas Quinn et al., Pittsburgh Supercomputing Center, via http://www.psc.edu/science/2003/quinn/how_to_cook_a_giant_planet.html.
As possibilidades eram quase ilimitadas, então por que tudo se alinha?
A esperança não é a convicção de que algo vai dar certo, mas a certeza de que algo faz sentido, independentemente de como acabe. – Václav Havel
Uma série de excelentes perguntas surgiram esta semana, como o submissões para Ask Ethan me deu uma grande seleção de coisas para escolher. Mas com base em dois posts anteriores sobre porque os planetas giram na mesma direção e por que nosso sistema solar é atípico , escolhi uma excelente pergunta do Nick Ham, que quer saber:
Por que os planetas estão todos no mesmo plano (aproximadamente, é claro) enquanto giram?
Se você pensou nas possibilidades incríveis, isso parece extremamente improvável.
Crédito da imagem: Joseph Boyle de quora, através http://www.quora.com/How-close-are-the-planets-of-our-solar-system-to-being-in-the-same-orbital-plane .
Hoje, mapeamos as órbitas dos planetas com uma precisão incrível, e o que descobrimos é que eles giram em torno do Sol - todos eles - no mesmo plano bidimensional, com uma precisão de, no máximo, 7 ° diferença.
Crédito das imagens: autor do Wikimedia commons Lookang , baseado no trabalho de Todd K. Timberlake e Francisco Esquembre (EU); captura de tela de Wikipédia (R).
Na verdade, se você tirar Mercúrio da equação, o mais interno e maioria planeta inclinado, você descobrirá que todo o resto é realmente bem alinhado: o desvio do plano invariável do Sistema Solar, ou o plano médio de órbita dos planetas, é apenas cerca de dois graus.
Eles também estão bem alinhados com o eixo de rotação do Sol: assim como todos os planetas giram enquanto orbitam o Sol, o próprio Sol gira. E como você pode esperar, o eixo em torno do qual o Sol gira está – novamente – dentro de aproximadamente 7° de todas as órbitas dos planetas.
https://www.youtube.com/watch?v=oaBjfsoulao
E, no entanto, isso não é o que você teria imaginado, a menos que algo causado esses planetas para serem todos imprensados no mesmo plano. Você esperaria que as órbitas fossem orientadas aleatoriamente, já que a gravidade – a força que mantém os planetas nessas órbitas estáveis – funciona da mesma forma em todas as três dimensões.
Você esperaria algo mais como um enxame do que um conjunto bom e ordenado de círculos quase perfeitos. A questão é que, se você se afastar o suficiente do nosso Sol – além dos planetas e asteroides, além dos cometas do tipo Halley e até mesmo além do Cinturão de Kuiper – isso é exatamente o que você encontra.
Crédito da imagem: Pearson Education.
Então, o que exatamente fez com que nossos planetas terminassem em um único disco? Em um único plano orbitando nosso Sol, em vez de um enxame?
Para entender isso, vamos viajar no tempo para quando nosso Sol estava se formando: de uma nuvem molecular de gás, a mesma coisa que dá origem a todo novas estrelas no Universo.
Crédito das imagens:Yuri Beletsky( O Observatório dos Sinos , Carnegie Institution for Science ) (EU); J. Alves, M. Lombardi e C. J. Lada, A&A, 462 1 (2007) L17-L21 (R).
Quando uma nuvem molecular cresce para ser massiva o suficiente, gravitacionalmente ligada e fria o suficiente para se contrair e colapsar sob sua própria gravidade, como a nebulosa do tubo (acima, esquerda), formará regiões suficientemente densas onde nascerão novos aglomerados estelares (círculos, acima, à direita).
Você notará, imediatamente, que esta nebulosa - e algum nebulosa como ela - não é uma esfera perfeita, mas assume uma forma irregular e alongada. A gravitação é implacável com as imperfeições, e devido ao fato de que a gravidade é um acelerador força que quadruplica toda vez que você reduz pela metade a distância de um objeto massivo, leva até pequenas diferenças em uma forma inicial e as amplia tremendamente em pouco tempo.
Crédito da imagem: 2006–2012 por Siegfried Kohlert, via http://astroimages.de/en/gallery/Orion-Mosaik.html .
O resultado é que você obtém uma nebulosa formadora de estrelas de forma incrivelmente assimétrica, onde as estrelas se formam nas regiões onde o gás fica mais denso. A questão é que, quando olhamos para dentro, para o Individual estrelas que estão lá, são esferas praticamente perfeitas, assim como o nosso Sol.
Crédito da imagem: NASA ; K.L. Luhman (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Mass.); e G. Schneider, E. Young, G. Rieke, A. Cotera, H. Chen, M. Rieke, R. Thompson (Observatório Steward, Universidade do Arizona, Tucson, Arizona); NASA , C.R. O'Dell e S.K. Wong (Universidade do Arroz).
Mas assim como a própria nebulosa se tornou muito assimétrica, as estrelas individuais que se formaram dentro dela vieram de aglomerados imperfeitos, superdensos e assimétricos. lado de dentro aquela nebulosa.
Eles vão desmoronar em uma (das três) dimensões primeiro, e como a matéria – coisas como você e eu, átomos, feitos de núcleos e elétrons – gruda e interage quando você bate em outra matéria, você vai para terminar com um alongado disco , em geral, da matéria. Sim, a gravitação puxará a maior parte dessa matéria para o centro, que é onde a(s) estrela(s) se formarão, mas em torno dele você terá o que é conhecido como disco protoplanetário. Graças ao Telescópio Espacial Hubble, nós visto esses discos diretamente!
Crédito da imagem: C.R. O'Dell/Rice University; NASA.
Então essa é sua primeira dica de que você vai acabar com algo que está mais alinhado em um plano do que uma esfera de enxame aleatório. Para ir para a próxima etapa, temos que recorrer a simulações, já que não estamos há tempo suficiente para assistir a esse processo se desenrolar – leva cerca de um milhão de anos – em qualquer sistema solar jovem.
Mas aqui está a história que as simulações nos contam.
Crédito da imagem: STScl OPO — C Burrows e J. Krist (STScl), K. Stabelfeldt (JPL) e NASA.
O disco protoplanetário, depois de se espalhar em uma dimensão, continuará a se contrair à medida que mais e mais matéria for atraída para o centro. Mas enquanto grande parte do material é canalizado para dentro, uma quantidade substancial dele acabará em uma órbita estável e giratória neste disco.
Por quê?
Há uma quantidade física que deve ser conservada: momento angular , que nos diz o quanto todo o sistema – gás, poeira, estrela e tudo – está intrinsecamente girando. Por causa de como o momento angular funciona em geral e como é compartilhado uniformemente entre as diferentes partículas internas, isso significa que tudo no disco precisa se mover, aproximadamente, na mesma direção geral (no sentido horário ou anti-horário). Com o tempo, esse disco atinge um tamanho e espessura estáveis, e então pequenas instabilidades gravitacionais começam a transformar essas instabilidades em planetas.
Claro, existem pequenas e sutis diferenças (e efeitos gravitacionais ocorrendo entre planetas em interação) entre diferentes partes do disco, bem como pequenas diferenças nas condições iniciais. A estrela que se forma no centro não é um único ponto, mas sim um objeto estendido em algum lugar no estádio de um milhão de quilômetros de diâmetro. E quando você juntar tudo isso, isso fará com que tudo não termine em um plano perfeitamente singular, mas será extremamente próximo.
Na verdade, só recentemente - apenas alguns meses atrás - descobrimos o primeiro sistema planetário além do nosso que capturamos no processo de formar novos planetas em um único plano.
Crédito da imagem: ESA/NASA.
A jovem estrela no canto superior esquerdo da imagem acima, nos arredores de uma região nebular – HL Tauri, a cerca de 450 anos-luz de distância – está cercada por um disco protoplanetário. A estrela em si tem apenas cerca de um milhão de anos. Graças ao ALMA, uma matriz de linha de base longa que mede a luz de comprimentos de onda bastante longos (milímetros), ou mais de mil vezes mais do que nossos olhos podem ver, retornou a imagem a seguir.
Crédito da imagem: ALMA ( ISSO / NAOJ / NRAA ), NSF .
É claramente um disco, com tudo no mesmo plano, e ainda há lacunas escuras lá. Essas lacunas correspondem a um planeta jovem que atraiu toda a matéria em sua vizinhança! Não sabemos quais deles se fundirão, quais serão expulsos e quais migrarão para dentro e serão engolidos por sua estrela-mãe, mas estamos testemunhando um passo crucial no desenvolvimento de um jovem sistema solar.
Então, por que todos os planetas estão no mesmo plano? Porque eles se formam a partir de uma nuvem assimétrica de gás, que colapsa primeiro na direção mais curta; a matéria se espalha e gruda; ele se contrai para dentro, mas acaba girando em torno do centro, com planetas se formando a partir de imperfeições naquele jovem disco de matéria; todos eles acabam orbitando no mesmo plano, separados apenas por alguns graus - no máximo - um do outro.
Uma história notável e que - graças não apenas a simulações, mas agora a observações do próprio Universo - parece mostrar uma notável concordância entre nossas melhores teorias científicas e a maneira como o Universo realmente é!
Obrigado por uma ótima pergunta, Nick, e se você tiver uma pergunta ou sugestão para a próxima coluna Ask Ethan, envie aqui . Vejo você de volta na próxima semana para mais maravilhas e alegrias do Universo!
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