Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Por que a Lua e o Sol são do mesmo tamanho no céu da Terra?

Aglomerados e aglomerados de galáxias exibem efeitos gravitacionais na luz e na matéria por trás deles devido aos efeitos de lentes gravitacionais fracas. Além disso, arcos, várias imagens da mesma galáxia e galáxias altamente ampliadas mostram fortes lentes gravitacionais. Ambos os efeitos nos permitem reconstruir suas distribuições de massa, ambos requerem matéria escura para explicar. (ESA, NASA, K. SHARON (UNIVERSIDADE DE TEL AVIV) E E. OFEK (CALTECH))

Provavelmente não é a ocorrência rara que pensávamos que era.

Em nosso Sistema Solar, há uma fonte esmagadora de massa em torno da qual todos os planetas orbitam: nosso Sol. Cada planeta tem seu próprio sistema único de satélites naturais que existem em órbitas estáveis ao seu redor: luas. Algumas luas, como Febe de Saturno ou Tritão de Netuno, são objetos capturados que já foram cometas, asteroides ou objetos do cinturão de Kuiper. Outros, como Ganimedes de Júpiter ou Titânia de Urano, se formaram a partir de um disco de acreção ao mesmo tempo em que se formavam os planetas do Sistema Solar. Mas da superfície da Terra, temos apenas uma Lua – provavelmente formada a partir de um impacto antigo e gigante – e ela é praticamente idêntica em tamanho angular ao Sol. Isso é apenas uma coincidência ou há alguma razão por trás desse fato? É isso que Brian Meadows quer saber, perguntando:

Do ponto de vista científico, quais são as chances de que a Lua e o Sol apareçam do mesmo tamanho no céu?

É uma ótima pergunta, e que ainda tem grandes incertezas em torno dela. Aqui está o que sabemos até agora.

A Voyager 1 tirou esta foto de Júpiter e dois de seus satélites (Io, esquerda e Europa) em 13 de fevereiro de 1979. As quatro luas galileanas de Júpiter, juntamente com a maioria das luas ao redor dos gigantes gasosos, provavelmente se formaram a partir do disco circumplanetário inicial que cada um deles possuía no início do Sistema Solar. (Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images)

No que diz respeito às luas do Sistema Solar, existem quatro maneiras conhecidas pelas quais elas se formam naturalmente.

Do material inicial que formou os objetos do Sistema Solar; é de onde vem a maioria das grandes luas ao redor de nossos planetas gigantes gasosos.
Das colisões entre um planeta e outro grande corpo no espaço que levantam detritos, onde esse material se aglutina em uma ou mais luas ao redor do planeta.
De outros objetos que atravessam o Sistema Solar que são capturados gravitacionalmente por um planeta pai.
Ou de material em um sistema de anéis em torno de um planeta que se acumula para formar uma lua por conta própria.

Quando examinamos as luas encontradas em nosso Sistema Solar, encontramos fortes evidências de todos os quatro tipos.

O planeta Netuno e sua maior lua Tritão, fotografados pela sonda espacial Voyager 2 em agosto de 1989. Embora seja necessário um telescópio muito forte para poder ver a maior lua de Netuno, Tritão, o próprio Netuno pode ser visto com um par de binóculos de prateleira, se você souber onde procurar. Com tecnologia de nível 1846, descobrir sua presença foi fácil e inequívoco, uma vez que sua localização era conhecida. Tritão é o maior objeto capturado no Sistema Solar conhecido. (NASA / VIAJANTE 2)

Mas três desses tipos de luas – as que se formam a partir do material inicial do Sistema Solar, as que são capturadas gravitacionalmente e as que se formam a partir de sistemas de anéis agregados – são encontrados apenas em torno dos mundos gigantes gasosos em nosso Sistema Solar. As luas que encontramos em mundos terrestres menores, incluindo Terra, Marte e até objetos como Plutão, Eris e Haumea, são todas consistentes com suas luas surgindo de uma fonte e apenas uma fonte: impactos antigos entre um corpo grande, maciço e em movimento rápido e o próprio mundo principal .

Nem sempre pensamos que fosse esse o caso, mas agora existe um enorme conjunto de evidências para apoiá-lo. As missões Apollo devolveram amostras da superfície lunar à Terra, onde as análises confirmaram que o material que compõe a crosta lunar e terrestre tem uma origem comum. As medições da composição e dos parâmetros orbitais das luas de Marte não apenas apontam para sua criação a partir de um impacto, mas indicam que uma terceira lua interna maior foi criada e, desde então, voltou para Marte. E, mais recentemente, as medições da New Horizons suportam uma imagem de que Caronte, a lua gigante de Plutão (e provavelmente as outras luas externas) também se originou de um impacto gigante.

Em vez das duas luas que vemos hoje, uma colisão seguida por um disco circumplanetário pode ter dado origem a três luas de Marte, onde apenas duas sobrevivem hoje. Esta hipotética lua transitória de Marte, proposta em um artigo de 2016, é agora a principal ideia na formação das luas de Marte. (LABEX UNIVEARTS / UNIVERSITÉ PARIS DIDEROT)

Então, se você está fazendo uma pergunta como, quais são as chances de um planeta parecido com a Terra ter uma Lua com aproximadamente o mesmo tamanho angular do Sol visto desse mesmo planeta, aqui estão os fatos que devemos considerar.

A única maneira que conhecemos, até agora, de fazer uma lua em torno de um planeta rochoso como a Terra é ter algum tipo de impacto gigante no passado do planeta.
Nós só detectamos luas em mundos rochosos em nosso Sistema Solar, nunca em exoplanetas rochosos, pois a tecnologia para isso ainda não existe.
Dos planetas rochosos, Mercúrio e Vênus não têm luas, a Terra tem apenas uma desse tamanho milagroso, enquanto as duas luas sobreviventes de Marte parecem muito menores que o Sol.

E, no entanto, quando consideramos os parâmetros da lua da Terra em relação à forma como a observamos em comparação com o Sol, experimentamos um conjunto notável de circunstâncias que nenhum outro sistema conhecido possui.

Quando a Terra, a Lua e o Sol se alinham perfeitamente durante a Lua nova, o resultado será um eclipse solar. Mas se isso é anular, total ou híbrido depende da distância da Lua à Terra. (ESTÚDIO DE VISUALIZAÇÃO CIENTÍFICA DA NASA)

Aqui na Terra, a Lua orbita nosso planeta quase exatamente no mesmo plano em que a Terra gira em seu eixo: outra evidência que aponta para nossa Terra e Lua tendo uma origem comum de um impacto gigante. Quando a Lua passa diretamente entre a Terra e o Sol, e todos os três corpos estão perfeitamente alinhados, experimentamos um fenômeno conhecido como eclipse solar. Isso é comum a todos os mundos com luas que cruzam o plano planeta-Sol, mas a Terra e nossa Lua são únicas de uma maneira muito emocionante.

Na Terra, podemos experimentar três tipos diferentes de eclipse solar com um alinhamento perfeito:

Eclipse solar total – onde a Lua parece bloquear completamente o disco do Sol.
Eclipse solar anular - onde a Lua não consegue bloquear o disco do Sol, criando um anel (ou anel) de Sol visível circunscrevendo a Lua eclipsante.
Eclipse solar híbrido – onde a Lua não consegue bloquear todo o Sol em uma parte do eclipse, mas bloqueia com sucesso todo o Sol em uma parte diferente.

Neste momento, a maior lua cheia (perigeu) parece maior que o Sol em todas as épocas do ano. No entanto, com o tempo, a Lua migrará, fazendo com que seu diâmetro angular encolha. Quando a lua cheia do perigeu é menor que o sol do afélio, não podem mais ocorrer eclipses solares totais. (EHSAN ROSTAMIZADEH DE ASTROBINA)

A Terra só experimenta todos os três tipos de eclipse solar porque a Lua, em sua órbita elíptica ao redor da Terra, pode parecer maior ou menor do que o Sol devido à órbita elíptica da Terra ao redor do Sol. Esta é, sem dúvida, uma raridade; nenhuma das luas de Marte é grande o suficiente para eclipsar totalmente o Sol, pois todo eclipse de Marte é anular. Além disso, se Marte tivesse uma terceira lua interna maior em um ponto, seus eclipses sempre teriam sido eclipses totais; eclipses anulares ou híbridos teriam sido impossíveis.

Mas há outro ponto a considerar: essas três possibilidades nem sempre foram o que a Terra experimentou e também nem sempre serão o que a Terra experimenta. A história do nosso Sistema Solar, da melhor forma que podemos reconstruí-lo, conta a história de uma relação em constante mudança entre a Terra, a Lua e o Sol. Começou há cerca de 4,5 bilhões de anos, onde nosso antigo disco protoplanetário, que deu origem a todos os planetas, começou a se fragmentar em aglomerados que cresceram, interagiram e se fundiram e se ejetaram. Havia dois tipos de sobreviventes: planetas grandes e massivos que mantinham envelopes de hidrogênio e hélio e vencedores menores e menos decisivos, que se transformavam em planetas e planetas anões.

O Sistema Solar se formou a partir de uma nuvem de gás, que deu origem a uma protoestrela, um disco protoplanetário e, eventualmente, as sementes do que se tornariam planetas. A coroação da história do nosso próprio Sistema Solar é a criação e formação da Terra exatamente como a temos hoje, o que pode não ter sido uma raridade cósmica tão especial quanto se pensava. (NASA / DANA BERRY)

Esses primeiros planetas, planetóides e planetesimais interagem e às vezes colidem, e essas colisões – quando ocorrem – tendem a levantar grandes quantidades de detritos que cercam o planeta principal. Este manto de material pós-impacto ao redor do planeta é conhecido como sinestia , e embora seja de curta duração, é incrivelmente importante. A maior parte desse material acaba caindo de volta ao planeta-mãe, enquanto o resto se aglutina em uma ou mais luas. Em geral, a lua mais interna será a maior e mais massiva, e então você terá luas menores e menos massivas que podem existir a distâncias maiores.

Essas luas exercem forças diferenciais no planeta: elas atraem gravitacionalmente a porção do planeta que está mais próxima da lua com uma força maior do que a porção mais distante. Isso não apenas cria marés no planeta, mas também resulta no que chamamos de frenagem de maré, que faz com que o planeta principal diminua sua rotação e a(s) lua(s) se afastem do planeta. Claro, há um efeito concorrente: a atmosfera do planeta pode criar uma força de arrasto na lua, aproximando-a do planeta. Dependendo de como as luas se formam inicialmente, qualquer um dos efeitos pode vencer.

Uma sinestia consistirá em uma mistura de material vaporizado da proto-Terra e do impactor, que forma uma grande lua dentro dela a partir da coalescência de luas. Este é um cenário geral capaz de criar uma única grande lua com as propriedades físicas e químicas que observamos que a nossa tem. É mais geral que a hipótese do Impacto Gigante, que envolve uma colisão entre a Terra e um mundo protoplanetário co-orbitante hipotético: Theia. (S. J. LOCK ET AL., J. GEOPHYS RESEARCH, 123, 4 (2018), P. 910-951)

No caso de Marte, a força de arrasto parece ter vencido, atraindo a lua mais interna; com o tempo, a próxima lua, Fobos, eventualmente cairá de volta em Marte também. No caso de Plutão, a frenagem de maré está completa, e o sistema Plutão-Caronte agora é um planeta binário, onde Plutão e Caronte estão presos um ao outro, cercados por quatro luas menores, externas e adicionais.

Mas o sistema Terra-Lua é fascinante. O pensamento atual é que, no início, a Lua estava muito próxima da Terra e pode ter havido várias luas externas menores além da nossa. A Terra, há mais de 4 bilhões de anos, pode ter girado incrivelmente rápido, completando uma rotação de 360° em apenas 6 a 8 horas. Um ano, no início da história da Terra, pode ter tido até 1500 dias.

Mas com o tempo, o atrito de maré da Lua diminuiu tremendamente essa rotação, um ato que transfere o momento angular da Terra giratória para a órbita da Lua. Com o tempo, isso faz com que a Lua se afaste da Terra.

A natureza assimétrica da Terra, agravada pelos efeitos da atração gravitacional da Lua, faz com que a duração de um dia na Terra se prolongue ao longo do tempo. Para compensar e conservar o momento angular, a Lua deve espiralar para fora. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS ANDREWBUCK, MODIFICADO POR E. SIEGEL)

Por bilhões de anos, até apenas algumas centenas de milhões de anos atrás, todos os eclipses solares na Terra foram eclipses totais; a Lua estava tão perto que sempre bloqueava o Sol da nossa perspectiva. Em 570 milhões de anos, A Terra experimentará seu último eclipse solar total , e em outros 80 milhões de anos, seu eclipse solar híbrido final. Depois disso, todos os eclipses solares da Terra serão anulares.

Isso significa que quando olhamos da Terra para a Lua hoje e comparamos seu tamanho angular com o do Sol hoje, vemos três tipos diferentes de eclipses solares, mas essa é uma situação temporária. A evidência indica que, no início, a Lua era muito maior em tamanho angular do que o Sol, e que pode ter havido luas adicionais mais distantes. Com o tempo, nossa Lua se afastou em espiral e, se houvesse luas menores e mais distantes, elas foram ejetadas. Em um futuro distante, a Lua espiralará ainda mais longe e se tornará eternamente menor em nosso céu do que o Sol jamais será, pelo resto de sua vida.

Enquanto aproximadamente metade de todos os eclipses de hoje são de natureza anular, a crescente distância Terra-Lua significa que em aproximadamente 600-700 milhões de anos, todos os eclipses solares serão de natureza anular. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS KEVIN BAIRD)

Quando você faz a pergunta, quais são as chances de um planeta parecido com a Terra ter uma Lua que é comparável em tamanho angular ao Sol, você está realmente perguntando quais são as chances:

ter um planeta parecido com a Terra, que é um planeta do tamanho da Terra na distância certa de sua estrela para água líquida em sua superfície,
que experimentou um impacto gigante em sua história inicial, criando uma sinestia,
onde o próprio planeta acaba girando rapidamente após essa colisão,
onde uma grande lua interna é criada, mas não volta a cair no planeta,
e depois espirala para longe à medida que o momento angular é transferido do planeta para a Lua.

É notável que a ciência, apesar de ter apenas informações sobre luas em torno de planetas terrestres apenas em nosso Sistema Solar, tenha descoberto os ingredientes necessários para criar a situação que temos hoje. Se você assumir que tem um planeta parecido com a Terra, nossas melhores estimativas têm enormes incertezas, mas podem levar a uma probabilidade total na faixa de 1 a 10%. Para realmente saber a resposta a essa pergunta, no entanto, precisaremos de mais e melhores dados e, para isso, precisaremos aguardar a próxima geração de observatórios astronômicos.

As respostas estão lá fora, escritas na face do próprio Universo. Se quisermos encontrá-los, basta procurar.

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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .