Pergunte a Ethan: Por que os planetas são sempre redondos?
As estrelas, planetas e muitas luas são extremamente redondos. Por que não assumem outras formas?
O sistema exoplanetário TOI-178 tem vários planetas conhecidos orbitando uma estrela central. A estrela e todos os planetas devem estar em equilíbrio hidrostático, com sua forma redonda determinada pela gravidade e rotação. Isso deveria ser verdade para todos os planetas. (Crédito: ESA)
Principais conclusões- Em nosso Sistema Solar, todos os planetas, muitas luas e objetos menores, e o Sol são todos redondos.
- Acima de um tamanho de aproximadamente ~400 quilômetros de raio, praticamente todos os corpos rochosos são redondos; acima de ~200 quilômetros de raio, a maioria dos corpos gelados também.
- Não há objetos irregulares fora do equilíbrio hidrostático acima de um certo tamanho, e a física pode explicar o porquê.
Por mais de 2.000 anos, a humanidade sabe que nosso planeta, a Terra, tem forma redonda. Assim como a Lua e o Sol parecem redondos, não apenas a Terra, mas todos os planetas do nosso Sistema Solar. Mesmo os não-planetas também participam da ação redonda. A lua da Terra, as quatro maiores luas de Júpiter, quatro das cinco maiores de Saturno, as cinco maiores luas de Urano e as maiores luas de Netuno são todas redondas, assim como o asteróide Ceres e numerosos objetos do Cinturão de Kuiper e da Nuvem de Oort. Alguns objetos menores de aproximadamente 200 km de raio são redondos, enquanto o Proteus de Netuno e o Jápeto de Saturno, significativamente maiores, não são. Por que é isso? Por que outras formas não são possíveis para os maiores objetos de todos? Essa é a pergunta do sargento. Randy Pennington, que escreveu em:
[Alguém] me perguntou: 'ok, então fomos ao espaço e viajamos por todo o Sistema Solar, e todos os planetas que medimos são redondos. Mas por quê?” E eu sabia que os planetas eram redondos, mas não sei por quê. O que aconteceria se um planeta tivesse a forma de um cubo ou de uma pirâmide, e por que não existem? Mas eu conheço alguém que vai saber... então por que, Ethan, por que todos os planetas são sempre redondos?
É verdade: todo planeta é redondo, e alguns são ainda mais redondos que outros. Além disso, as estrelas também são sempre redondas, muitas luas e até alguns asteróides e objetos do cinturão de Kuiper são redondos. Aqui está a ciência do que está acontecendo.

Sob um corte de tamanho de 10.000 quilômetros, os objetos parecem ser redondos, puxados para o equilíbrio hidrostático por meio de sua gravidade e rotação, combinadas. No entanto, uma vez que você vá para raios planetários abaixo de ~800 quilômetros, o equilíbrio hidrostático, ou mesmo a redondeza, não são mais certezas. ( Crédito : Emily Lakdawalla; dados da NASA/JPL, JHUAPL/SwRI, SSI e UCLA/MPS/DLR/IDA)
A primeira coisa a reconhecer é que a matéria normal pode se aglomerar em qualquer quantidade. Átomos individuais e até partículas subatômicas, como núcleos atômicos ou elétrons livres, existem em grande abundância em sistemas estelares, bem como no espaço interestelar. Os átomos também se ligam para formar moléculas, que podem existir livremente ou como partes de outros sistemas, e as próprias moléculas podem se agrupar em grandes e pequenas quantidades.
Embora existam forças nucleares e eletromagnéticas em jogo, as quais podem facilmente superar quaisquer outras forças, quando você junta grandes quantidades de massa, é na verdade a força mais fraca de todas que vence: a gravidade. Se você reunir matéria normal suficiente em um só lugar - independentemente do tipo, fase, origem ou natureza da matéria que você possui - ela se contrairá até se tornar um único objeto gravitacionalmente ligado.
Quando esses objetos são pequenos, eles tendem a formar minúsculas estruturas semelhantes a bolas de poeira. Essas partículas semelhantes a grãos não são realmente mantidas juntas por meio da gravidade, mas sim por meio de forças eletrostáticas. Basta aproximá-los do Sol, onde são expostos a coisas como radiação solar e vento solar, é suficiente para destruí-los. Se você quer algo mais robusto, precisa olhar para massas maiores, permitindo que a força da gravidade se torne mais dominante.

Uma visão esquemática do estranho asteróide em forma de amendoim Itokawa. Itokawa é um exemplo de asteróide de pilha de escombros, mas as determinações de sua densidade revelaram que é provavelmente o resultado de uma fusão entre dois corpos que têm composições diferentes. Ele não pode puxar-se em uma forma redonda. ( Crédito : ISSO, JAXA)
Pegue o asteroide da foto acima, por exemplo: Itokawa . Itokawa é grande o suficiente para ser sua própria estrutura gravitacionalmente ligada, pesando cerca de 30 milhões de toneladas. Tem apenas algumas centenas de metros de lado, mas é o suficiente para ilustrar, pelo menos nesta escala, o que a gravitação pode e não pode fazer. Quando você acumulou mais do que um grão de matéria, mas não mais do que alguns milhões de toneladas, eis o que você terá.
- Um corpo de pilha de entulho . Em vez de ser um objeto sólido, você obtém o que parece ser uma coleção de muitos grãos e seixos diferentes, todos mantidos juntos por meio de sua gravitação mútua.
- Um objeto que não é diferenciado . Se você tem muita massa junta, obtém uma diferenciação de suas camadas, onde os materiais mais densos afundam para o centro, formando um núcleo, enquanto os materiais menos densos, como um manto ou crosta, flutuam sobre eles. Itokawa e outros objetos de massas e tamanhos comparáveis não podem fazer isso.
- Uma composição que mostra a fusão de diferentes corpos . Este não é necessário, mas acontece com frequência, e Itokawa é um exemplo espetacular disso: as duas porções do amendoim que compõe Itokawa têm densidades dramaticamente diferentes, indicando que já foram dois objetos separados que agora, gravitacionalmente, fundidos juntos.
Ao todo, esses objetos podem se manter juntos gravitacionalmente, mas não são redondos.

O cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko foi fotografado muitas vezes pela missão Rosetta da ESA, onde sua forma irregular, superfície volátil e desgaseificada e atividade cometária foram observadas. O próprio cometa teria que ser muito maior e mais massivo para se aproximar de uma forma redonda. ( Crédito ESA/Rosetta/MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA)
Por que esses pequenos objetos não se tornam redondos? É porque as forças entre átomos e moléculas – governadas por elétrons e pela força eletromagnética – são mais fortes que a força da gravidade nessa escala. A gravitação é sempre atrativa e puxa cada partícula de matéria em direção ao centro de massa dos objetos dos quais fazem parte. Mas também existem forças entre átomos e moléculas que determinam sua forma e configuração.
Cristais de gelo se formam em treliças; rochas de silicato podem se formar amorfamente; partículas de poeira podem ser compactadas em solos ou mesmo em formas sólidas; etc. Quando uma força gravitacional é aplicada a um grande corpo ou coleção de corpos, ela exerce uma pressão: uma força sobre uma área. Se a pressão for grande o suficiente, ela anulará quaisquer condições ou formas iniciais que um objeto possua para começar e o compele a se remodelar em uma configuração energeticamente mais estável.
No caso de corpos autogravitantes, superar qualquer forma e configuração inicial aleatória com a qual você começa é o primeiro obstáculo que você enfrenta, e a quantidade de massa necessária depende do que seu objeto é feito. Você pode formar um cubo, uma pirâmide ou qualquer forma de batata que a natureza possa sonhar, mas se você for muito grande e a força da gravidade for muito grande, você não a manterá e será puxado para dentro. uma forma redonda.

Esta seleção de asteróides e cometas visitados por naves espaciais abrange muitas ordens de magnitude em tamanho, desde corpos sub-quilómetros a objetos com mais de 100 km de lado. No entanto, nenhum desses objetos tem massa suficiente para ser puxado para uma forma redonda. A gravidade pode mantê-los juntos, mas não pode remodelá-los. ( Crédito : Sociedade Planetária – Emily Lakdawalla)
Se você estiver abaixo de 1018quilogramas (um quatrilhão de toneladas ou mais), você estará abaixo de cerca de 100 quilômetros de raio, e isso é sempre muito pequeno, ou baixo em massa, para se colocar em uma forma redonda. Itokawa fica aquém desse limite por um fator de muitos milhões, assim como a maioria dos asteróides conhecidos.
No entanto, se você conseguir acumular material suficiente para ultrapassar esse limite de massa e tamanho, terá uma chance de redondeza grosseira.
lua de Saturno Mimas , por exemplo, tem pouco menos de 200 quilômetros de raio, mas sem dúvida é arredondado. Na verdade, é o menor corpo astronômico atualmente conhecido que tem uma forma redonda devido à autogravitação e é a grande lua mais interna de Saturno, completando uma órbita ao redor do planeta em menos de 24 horas. Mimas tem densidade muito baixa, apenas um pouco mais denso que o gelo de água, sugerindo que é composto principalmente de voláteis: gelos de baixa densidade que são fáceis de deformar sob a força da gravidade.
Se Mimas fosse composto em grande parte por rochas ou mesmo metais, teria que ser maior e mais massivo para se autogravitar em uma esfera: tão grande quanto 400 ou 500 quilômetros de raio, nos casos mais extremos.

Mimas, como fotografado aqui durante o sobrevoo mais próximo da Cassini em 2010, tem apenas 198 quilômetros de raio, mas é claramente redondo devido à sua autogravitação. No entanto, falta massa suficiente para estar verdadeiramente em equilíbrio hidrostático. ( Crédito : NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)
Round, no entanto, é apenas parte da história. Você ainda pode ter grandes recursos que levam seu objeto a se afastar da forma que a autogravitação levaria em um mundo que se torna arredondado. Mimas, de fato, demonstra isso, com sua aparência de Estrela da Morte devido à sua enorme cratera: tão grande que é quase um terço do diâmetro de Mimas. As paredes da cratera têm mais de 5 km de altura e o fundo da cratera tem mais de 10 km de profundidade; de fato, a superfície do lado oposto de Mimas desta cratera é altamente perturbada. O impacto que criou esta cratera deve ter quase destruído completamente Mimas, e sua gravitação é insuficiente para puxá-la de volta para uma forma mais esférica.
Este exemplo ilustra uma distinção importante: a diferença entre ser redondo e estar em equilíbrio hidrostático. A autogravitação pode puxá-lo para uma forma redonda facilmente se você tiver mais de 200 quilômetros de raio e gelo ou mais de 400 quilômetros de raio e rochoso. Mas estar em equilíbrio hidrostático é uma barreira mais difícil de superar: você tem que ter sua forma determinada principalmente por uma combinação de autogravitação e rotação: a mesma forma que uma gota autogravitante de água líquida giratória assumiria.

Os quatro maiores asteroides, todos mostrados aqui, foram fotografados com a missão Dawn da NASA e o instrumento SPHERE do ESO. Ceres, o maior asteroide, é o menor corpo conhecido em equilíbrio hidrostático. Vesta e Pallas não são, mas Hygeia ainda pode ser. ( Crédito : NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA; ISSO)
O menor corpo verificado em equilíbrio hidrostático é o maior asteróide: o planeta anão Ceres , com um raio de cerca de 470 quilômetros. Por outro lado, o maior corpo conhecido por não estar em equilíbrio hidrostático é A bizarra lua de Saturno Iapetus , com um raio de cerca de 735 km, cuja cordilheira equatorial de abrangência planetária nunca ocorreria se a gravidade e a rotação por si só determinassem sua forma.
Para um corpo sólido como um planeta rochoso ou lua, a grande questão é se sua gravidade pode fazer você se comportar de maneira plástica. Na física e na ciência dos materiais, plástico não significa feito de subprodutos do petróleo, mas descreve como certos materiais se deformam. Quando você submete um material a tensões decorrentes de tensão, compressão, flexão ou torção, esses materiais normalmente alongam, comprimem, dobram, torcem ou deformam.
Se o seu material se deforma plasticamente, essas distorções e deformações podem se tornar permanentes. Se você tiver massa suficiente em um só lugar, a gravitação será suficiente para puxá-lo de volta ao equilíbrio hidrostático, de modo que sua forma geral seja novamente determinada apenas por sua rotação e gravidade. Se não, você ainda pode ser redondo, mas não em equilíbrio hidrostático.

Essas duas imagens globais de Jápeto mostram sua característica de grande impacto e sua crista equatorial, apesar de sua óbvia redondeza. Em conjunto com suas outras propriedades, essas características demonstram que Jápeto não está em equilíbrio hidrostático, tornando-o o maior mundo do sistema solar a não estar. ( Crédito : NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)
Para objetos gelados, você pode ser redondo a cerca de 200 quilômetros, mas não estará em equilíbrio hidrostático até ter cerca de 400 quilômetros de raio. Para objetos rochosos, você não será redondo a menos que seu raio seja de cerca de 400 quilômetros, mas pode não atingir o equilíbrio hidrostático a menos que seu raio seja maior: até 750 quilômetros podem ser necessários.
Objetos que vivem nessa região intermediária podem estar em equilíbrio hidrostático ou não, e não temos certeza sobre o status de muitos dos conhecidos. Hygeia de rocha e gelo, com um raio de apenas 215 km, pode estar em equilíbrio hidrostático. A lua de Saturno Encélado, a 252 quilômetros, está próxima, mas os asteroides Pallas e Vesta, a 256 e 263 km, afastam-se severamente de serem redondos. A grande lua de Plutão, Caronte, com um raio de 606 km, pode não ter atingido o equilíbrio hidrostático. As duas maiores luas de Urano, Titânia e Oberon, provavelmente estão em equilíbrio hidrostático; os próximos três, Umbriel, Ariel e Miranda, podem ou não ser.
No entanto, uma vez que você chega a cerca de 800 quilômetros de raio, tudo conhecido acima desse tamanho não é apenas redondo, está também em equilíbrio hidrostático.

Saturno, fotografado aqui pela Cassini durante o equinócio de 2008, não é apenas redondo, mas está em equilíbrio hidrostático. Com sua baixa densidade e rotação rápida, Saturno é o planeta mais achatado do Sistema Solar, com um diâmetro equatorial que é mais de 10% maior que seu diâmetro polar. ( Crédito : NASA/JPL/Instituto de Ciências Espaciais)
Os planetas anões Haumea, Eris e Plutão (junto com Makemake, com apenas 715 km de raio) estão todos em equilíbrio hidrostático. O Tritão de Netuno, a Lua da Terra, o Titã de Saturno e as quatro luas galileanas de Júpiter também estão em equilíbrio hidrostático. Assim são todos os oito planetas, e assim é o Sol. Na verdade, estamos bastante confiantes de que esta é uma regra universal: se você tiver mais de 800 quilômetros de raio, independentemente de sua composição, estará em equilíbrio hidrostático.
Mas aqui está um fato divertido: muitos objetos – incluindo muitos planetas e estrelas – giram tão rapidamente que fica muito claro que eles não são redondo, mas assume uma forma achatada conhecida como esferóide oblato. A Terra, devido à sua rotação de 24 horas, não é uma esfera perfeita, mas tem um raio equatorial maior (6378 km) do que um raio polar (6356 km). A rotação de Saturno é ainda mais rápida, completando uma rotação em apenas 10,7 horas, e seu raio equatorial (60.268 km) é quase uma Terra inteira maior que seu raio polar (54.364 km).
A Lua e Mercúrio, no entanto, são ambos rotadores incrivelmente lentos. Eles são apenas ~ 2 km maiores em raio na direção equatorial do que na direção polar, tornando-os planetas rochosos muito esféricos. Mas você sabe qual corpo é a esfera mais perfeita do Sistema Solar? O sol. Com um raio médio de 696.000 quilômetros, seu raio equatorial é apenas ~5 km maior que seu raio polar, tornando-o uma esfera perfeita com 99,9993% de precisão.

Esta imagem do Sol, tirada em 20 de abril de 2015, mostra uma série de características comuns a todas as estrelas: laços magnéticos, proeminências, filamentos de plasma e regiões de temperaturas mais altas e mais baixas. No entanto, o Sol de rotação lenta é a esfera mais perfeita do Sistema Solar, com um diâmetro polar e equatorial idêntico a 99,9993% de precisão. ( Crédito : NASA/Observatório de Dinâmica Solar)
Embora existam muitos fatores em jogo na determinação da forma de um objeto, existem apenas três categorias principais em que os corpos se enquadram.
- Se você for muito baixo em massa e/ou muito pequeno para sua composição, você simplesmente assumirá qualquer forma que tenha por sorte na formação; praticamente todos os objetos abaixo de ~200 quilômetros de raio têm essa propriedade.
- Se você for mais massivo, essa forma inicial será reconfigurada em uma forma redonda, um limite que você cruza entre ~200 e 800 km de raio, dependendo da sua composição. No entanto, se ocorrer um grande evento de distorção, como um impacto, uma deposição ou uma mudança em suas propriedades orbitais, você provavelmente manterá uma memória impressa desse evento.
- Finalmente, acima de ~800 quilômetros de raio, você estará em equilíbrio hidrostático: massivo o suficiente para que a gravidade e a rotação determinem principalmente sua forma, com apenas pequenas imperfeições sobrepostas.
Em termos de massa, 0,1% da massa da Terra fará isso; junte tudo isso e você sempre estará em equilíbrio hidrostático. A redondeza, por si só, não é suficiente para torná-lo um planeta, mas todos os planetas têm massa mais do que suficiente para se tornarem redondos. A força irresistível da gravidade é suficiente para garantir que não poderia ser de outra forma.
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