Pergunte a Ethan: Por que os cometas não orbitam da mesma forma que os planetas?
A trajetória nominal do asteroide interestelar A/2017 U1, calculada com base nas observações de 19 de outubro de 2017 e posteriores. Observe as diferentes órbitas dos planetas (rápidas e circulares), os objetos do cinturão de Kuiper (elípticos e aproximadamente coplanares) e este asteroide interestelar. Crédito da imagem: Tony873004 do Wikimedia Commons .
Em vez de elipses quase circulares, os cometas são extraordinariamente alongados, ou mesmo em um caminho de saída. Por que tão diferente?
Quando você observa como os planetas orbitam em nosso Sistema Solar, a resposta correta foi dada há centenas de anos: primeiro por Kepler, cujas leis do movimento o descreveram, e depois por Newton, cuja lei da gravitação universal permitiu que ela fosse derivada. Mas os cometas, tanto os originários do nosso Sistema Solar quanto os vindos de muito além dele, não se movem nessas mesmas elipses quase circulares. Por que é que? Rajasekharan Rajagopalan quer saber:
Por que os cometas orbitam o Sol em uma trajetória parabólica, ao contrário dos planetas que orbitam em uma trajetória elíptica? De onde os cometas obtêm energia para viajar uma distância tão longa, da nuvem de Oort ao Sol e vice-versa? Além disso, como os cometas/asteróides interestelares podem sair de sua estrela-mãe [sistema] e visitar outras?
Podemos responder a isso, mas há uma pergunta ainda maior que podemos responder: por que todo objetos orbitam do jeito que eles fazem?
Os planetas do Sistema Solar, juntamente com os asteróides no cinturão de asteróides, orbitam todos quase no mesmo plano, fazendo órbitas elípticas, quase circulares. Além de Netuno, as coisas ficam progressivamente menos confiáveis. Crédito da imagem: Space Telescope Science Institute, Graphics Dept.
Em nosso Sistema Solar, temos os quatro mundos rochosos internos, um cinturão de asteróides além disso, mundos gigantes gasosos com uma enorme quantidade de luas e anéis, e depois o cinturão de Kuiper. Além do cinturão de Kuiper, temos um grande disco disperso, que dá lugar a uma nuvem esférica de Oort, estendendo-se a uma distância tremenda: talvez um ou dois anos-luz de distância, quase a meio caminho da próxima estrela.
Uma visão logarítmica do nosso Sistema Solar, estendendo-se até as estrelas mais próximas, mostra a extensão do cinturão de asteróides do cinturão de Kuiper e da nuvem de Oort. Crédito da imagem: NASA.
Para estar em uma órbita estável a uma certa distância, de acordo com as leis da gravidade, cada objeto precisa estar se movendo com uma velocidade particular. Em termos de física básica, é preciso haver um equilíbrio entre a energia potencial do sistema (na forma de energia potencial gravitacional) e a energia do movimento (energia cinética). Quando você está mais fundo no potencial gravitacional do Sol – ou seja, quando está mais perto do próprio Sol – você tem menos energia em geral e precisa se mover mais rápido para ter uma órbita estável.
Os oito planetas do nosso Sistema Solar e o nosso Sol, para escalar em tamanho, mas não em termos de distâncias orbitais. Mercúrio é o planeta mais difícil de ver a olho nu. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons WP.
É por isso que, se olharmos para as velocidades médias dos planetas em suas órbitas, elas são:
- Mercúrio: 48 km/s,
- Vênus: 35 km/s,
- Terra: 30 km/s,
- Marte: 24 km/s,
- Júpiter: 13 km/s,
- Saturno: 9,7 km/s,
- Urano: 6,8 km/s,
- Netuno: 5,4 km/s.
Por causa do ambiente em que o Sistema Solar se formou – cheio de pequenas massas que se fundiram, interagiram e causaram muitas ejeções – o que resta hoje é muito próximo do circular.
As órbitas dos planetas no sistema solar interno não são exatamente circulares, mas são bastante próximas, com Mercúrio e Marte tendo as maiores distâncias. Além disso, quanto mais próximo um planeta estiver do Sol, maior deve ser sua velocidade. Crédito da imagem: NASA/JPL.
Mas também há interações gravitacionais que ocorrem em momentos posteriores a serem considerados! Se um asteróide ou um objeto do cinturão de Kuiper passar perto de uma grande massa, como Júpiter ou Netuno, ele pode ter uma interação gravitacional que lhe dá um chute. Isso mudará sua velocidade em uma quantidade substancial, até alguns km/s em praticamente qualquer direção. Para um asteróide, isso pode fazer com que sua órbita passe de aproximadamente circular a altamente elíptica; a trajetória do cometa Encke, que pode ter tido sua origem no cinturão de asteroides, é um bom exemplo disso.
O rastro do cometa Encke, que faz uma órbita completa a cada 3,3 anos, é de período extremamente curto, mas se espalha em uma elipse excêntrica que traça o caminho orbital do cometa. Encke foi o segundo cometa periódico identificado após o cometa de Halley. Crédito da imagem: Gehrz, R. D., Reach, W. T., Woodward, C. E., and Kelley, M. S., 2006.
Por outro lado, quando você está muito longe, como no cinturão de Kuiper ou na nuvem de Oort, você pode se mover apenas a uma velocidade de 4 km/s (para o cinturão de Kuiper interno) até apenas algumas centenas de metros/ s (para a nuvem de Oort). Uma interação gravitacional com um planeta importante, como Netuno, pode mudar sua órbita em uma das duas direções. Se Netuno roubar energia de você, ele o levará para o interior do Sistema Solar, criando uma elipse de longo período, semelhante ao cometa Swift-Tuttle, o cometa que criou a chuva de meteoros Perseidas. Esta seria uma elipse que mal está gravitacionalmente ligada ao Sol, mas ainda assim é uma elipse.
O caminho orbital do cometa Swift-Tuttle, que passa perigosamente perto de cruzar o caminho real da Terra ao redor do Sol, é altamente elíptico em comparação com qualquer órbita planetária. Conjectura-se que uma interação gravitacional de muito tempo atrás com Netuno ou outro objeto massivo alterou sua órbita para corresponder ao que vemos no momento. Crédito da imagem: Howard of Teaching Stars.
Mas se Netuno, ou qualquer outro corpo (ainda não sabemos a maior parte do que está lá fora no Sistema Solar externo) lhe der energia cinética extra, isso pode mudar sua órbita de uma órbita elíptica limitada para uma órbita hiperbólica não vinculada . (A propósito, a parabólica é uma órbita não vinculada que está exatamente na fronteira entre elíptica e hiperbólica.) Para aqueles que se lembram do sungrazing Cometa ISON de 2013, que se desintegrou quando se aproximou do Sol, estava em uma órbita hiperbólica. Normalmente, os cometas originários do Sistema Solar exterior estarão a apenas alguns km/s da fronteira entre o ligado e o não ligado.
À medida que o cometa ISON passou para o interior do Sistema Solar, desenvolveu um conjunto de caudas que apontavam quase diretamente para longe do Sol. Ele roçou o Sol a uma distância de menos de 2 milhões de quilômetros e se desintegrou depois de sua aproximação. Crédito da imagem: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/Universidade do Arizona.
O fato mais estranho sobre os cometas que é contra-intuitivo para a maioria das pessoas é que eles não precisam de muita energia para mergulhar no Sistema Solar interior! Se eu tivesse uma massa em repouso em relação ao Sol, mesmo a um ano-luz de distância, e simplesmente a soltasse, ela cairia direto no Sol se esperássemos o suficiente. Para massas distantes em órbita em nosso Sistema Solar, uma mudança muito pequena em sua velocidade pode empurrá-lo para perto dessa órbita. Enquanto esses empurrões gravitacionais de objetos próximos acontecem em direções mais ou menos aleatórias, vemos apenas os objetos que começam a se mover rapidamente e se aproximam do Sol, desenvolvendo caudas e se tornando brilhantes o suficiente para serem vistos. É daí que vêm os cometas.
O cinturão de Kuiper é a localização do maior número de objetos conhecidos no Sistema Solar, mas a nuvem de Oort, mais fraca e mais distante, não apenas contém muito mais, mas é mais provável que seja perturbada por uma massa passageira como outra estrela. Observe que todos os objetos do cinturão de Kuiper e da nuvem de Oort se movem a velocidades extremamente pequenas em relação ao Sol. Crédito da imagem: NASA e William Crochot.
A grande maioria é pouco ligada gravitacionalmente ou pouco ligada gravitacionalmente, e é por isso que A/2017 U1 foi uma descoberta tão tremenda! Ao contrário de todos os outros cometas ou asteróides que já vimos, era extremamente solto. Enquanto os objetos do nosso Sistema Solar exterior se movem, uma vez que estão longe do Sol, a apenas alguns km/s no topo, este estava se movendo a mais de 20 km/s. Isto deve ter vindo de fora do Sistema Solar , pois mesmo Netuno não teria massa e velocidade suficientes para transmitir esse tipo de velocidade a ele!
A/2017 U1 é mais provável de origem interestelar. Aproximando-se de cima, estava mais próximo do Sol em 9 de setembro. Viajando a 27 milhas por segundo (44 quilômetros por segundo), o cometa está se afastando da Terra e do Sol em seu caminho para fora do sistema solar. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.
Os segredos do que faz um cometa, um asteroide ou um objeto além do nosso Sistema Solar orbitar do jeito que faz? É simplesmente a gravidade e as interações gravitacionais ao longo de sua história. Objetos estáveis em nosso Sistema Solar, particularmente após 4,5 bilhões de anos, estão todos se movendo em órbitas elípticas ao redor do Sol. Mas as interações gravitacionais podem mudar isso, alterando a forma de sua elipse ou transformando-a em uma hipérbole pouco ligada. Em ambos os casos, só o veremos se for lançado perto do Sol, que é a única maneira de sabermos sobre todos os cometas que já descobrimos.
As caudas dos cometas não seguem exatamente a trajetória orbital, mas fazem caminhos retos ou curvos para longe do Sol, dependendo se são íons ou grãos de poeira que são expelidos. De qualquer forma, os cometas só são visíveis – com caudas, comas e a refletividade da luz solar – quando estão perto o suficiente do Sol. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Roger Dymock.
Os cometas e asteroides que são ejetados do nosso Sistema Solar voam pelo espaço interestelar, onde um dia passarão perto de outras estrelas. Como as estrelas se movem pela galáxia a velocidades relativas de cerca de 10 a 30 km/s, essa é a rapidez com que essas rochas espaciais interestelares provavelmente se moverão, explicando por que o asteroide interestelar que descobrimos estava se movendo tão rapidamente. É apenas uma combinação de órbitas iniciais, interações gravitacionais e o movimento do nosso Sistema Solar através da galáxia que explica tudo. Quando você rouba energia de um objeto no cinturão de asteróides, cinturão de Kuiper ou nuvem de Oort, você cria uma elipse que está mais fortemente ligada ao Sol. Mas quando você dá um chute enérgico, pode ser suficiente para ejetá-lo completamente.
Embora agora acreditemos que entendemos como o Sol e nosso sistema solar se formaram, essa visão inicial é apenas uma ilustração. Quando se trata do que vemos hoje, tudo o que nos resta são os sobreviventes. Crédito da imagem: Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins/Instituto de Pesquisa do Sudoeste (JHUAPL/SwRI).
A grande lição disso? Nosso Sistema Solar está se despovoando continuamente ao longo do tempo e tem menos objetos em seu cinturão de asteróides, cinturão de Kuiper e nuvem de Oort do que nunca. Com o passar do tempo, todos eles ficam cada vez mais esparsos. Quem sabe quantos já estiveram presentes? É uma tarefa impossível. No Sistema Solar, tudo a que teremos acesso são os sobreviventes.
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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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