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Nova teoria explica perfeitamente 'Oumuamua naturalmente: de colisões de Exo-Plutão

Uma colisão maciça de grandes objetos no espaço pode causar a ejeção de um enorme número de fragmentos de material nas camadas externas do objeto maior. Se, na maioria dos sistemas estelares, mundos como Plutão são abundantes e também colisões energéticas, até um quatrilhão de fragmentos de gelo de aproximadamente 100 metros de tamanho poderiam existir no meio interestelar para cada sistema solar como o nosso. (NASA/JPL-CALTECH/T. PYLE (SSC))

Detritos de colisões do tamanho de Plutão, não alienígenas, estão fluindo pela galáxia.

Em 2017, os cientistas descobriram um objeto passando pelo nosso Sistema Solar que era diferente de tudo que já vimos. Pela primeira vez, descobrimos um objeto que se originou além do nosso Sistema Solar que estava passando ativamente pela nossa vizinhança local. Na aproximação mais próxima, ele entrou até mesmo na órbita de Mercúrio e foi descoberto a meros 23 milhões de quilômetros da Terra: mais perto do que qualquer outro planeta já chegou ao nosso mundo. Chamado 'Oumuamua - havaiano para mensageiro do passado distante - tem uma série de propriedades que o tornam diferente de qualquer outro cometa ou asteróide descoberto até agora .

Enquanto um astrônomo vem promovendo publicamente a ideia de que, em vez de ser um objeto natural, ‘Oumuamua pode ser algum tipo de espaçonave alienígena, esse tipo de especulação selvagem normalmente ocorre apenas quando as explicações mundanas foram cuidadosamente consideradas e descartadas. Isso não só não ocorreu para ‘Oumuamua, como muitas hipóteses permanecem em jogo, mas uma nova apresentado na conferência Lunar and Planetary Science 2021 por Alan Jackson e Steve Desch poderia ser a melhor explicação até agora: ‘Oumuamua pode ser uma nova classe de fragmentos de gelo de nitrogênio, decorrentes de colisões que ocorrem em mundos semelhantes a Plutão. Isso não apenas desfavorece ainda mais a hipótese dos alienígenas, mas também faz um conjunto de novas previsões ousadas que devemos ser capazes de testar em pouco tempo.

Uma animação mostrando o caminho do intruso interestelar agora conhecido como ʻOumuamua. A combinação de velocidade, ângulo, trajetória e propriedades físicas contribuem para a conclusão de que isso veio de além do nosso Sistema Solar, mas não conseguimos descobri-lo até que já tivesse passado da Terra e saído do Sistema Solar. (NASA / JPL — CALTECH)

Quando ‘Oumuamua passou pelo nosso Sistema Solar em 2017, só foi descoberto por causa do telescópio Pan-STARRS: um levantamento automatizado que tira fotos de cerca de 75% de todo o céu a cada uma ou duas noites. A maioria dos objetos no céu é fixa: eles não mudam sua posição de noite para noite nem mudam de brilho. Os que mudam, no entanto, são aqueles que um levantamento automatizado do céu como este é excelente para encontrar, medir e caracterizar.

Este método ajuda a revelar estrelas variáveis, fenômenos transitórios como supernovas e eventos de ruptura das marés e objetos que estão muito próximos de nós, pois eles parecem se mover em relação ao fundo de estrelas fixas. Enquanto dezenas de milhares desses objetos foram descobertos com o Pan-STARRS, ‘Oumuamua foi rapidamente reconhecido como fora do comum. A primeira pista foi talvez a mais importante: sua órbita era muito excêntrica para ter se originado em nosso Sistema Solar. Mesmo com um chute gravitacional de um planeta gigante, a velocidade com que ele estava saindo do Sistema Solar – 26 km/s – era grande demais para ter se originado em nosso próprio quintal.

Este não era um cometa ou asteróide, mas um intruso de além do nosso Sistema Solar, passando temporariamente pela nossa vizinhança do espaço interestelar.

Por causa das variações de brilho observadas no objeto interestelar 1I/'Oumuamua, onde varia por um fator de 15 do mais brilhante ao mais fraco, os astrônomos modelaram que é muito provável que seja um objeto alongado e em queda. Pode ser em forma de charuto, em forma de panqueca ou irregularmente escurecido, mas deve estar caindo de qualquer maneira. (NAGUALDESIGN / WIKIMEDIA COMMONS)

‘Oumuamua, quando foi descoberto, estava relativamente próximo da Terra, mas também já estava saindo do Sistema Solar. Cada uma de suas propriedades observadas era consistente com outros objetos descobertos, mas essa combinação particular de características é algo inteiramente novo. Para as melhores indicações de nossas medições, descobrimos que ‘Oumuamua era:

• em vez do lado pequeno, com apenas 100-300 metros de largura,
• muito vermelho na cor, refletindo a luz de forma semelhante a alguns dos asteróides troianos encontrados ao redor de Júpiter,
• desprovido de coma ou cauda, ​​que normalmente vemos com cometas que chegam tão perto do Sol,
• variável em brilho, onde a cada 3,6 horas ele clareou e escureceu por um fator de cerca de 15,
• e desviou-se da órbita que deveria ter seguido apenas por efeitos puramente gravitacionais, como se houvesse uma ligeira aceleração adicional de cerca de 5 mícrons por segundo².

Cada uma dessas propriedades, por si só, não seria um grande problema, pois existem muitas explicações plausíveis. As variações de brilho, por exemplo, podem ser explicadas por um objeto alongado, em queda, semelhante a um charuto, ou um objeto plano, fino, em forma de panqueca, ou um objeto esferoidal, multicolorido e giratório, como o meio escurecido de Saturno. lua Jápeto.

A natureza bicolor de Jápeto foi um mistério por mais de 300 anos, mas foi finalmente resolvida pela missão Cassini no século 21. Jápeto é um mundo gelado, mas um hemisfério foi escurecido por material acumulado da lua semelhante a um centauro capturada por Saturno: Phoebe. O hemisfério escurecido ferverá os gelos, enquanto esses gelos podem se acomodar e permanecer quase estáveis ​​no lado claro. (NASA/JPL)

Mas, tomados em conjunto, uma coisa é clara: esse objeto é o primeiro de uma classe fundamentalmente nova de objetos que estão por aí. Descobrir exatamente o que é e como se encaixa na população mais ampla do que está à espreita no espaço interestelar é a chave para entender o que está acontecendo. Em teoria, deve haver muitos objetos preenchendo o espaço entre as estrelas em nossa galáxia. Toda vez que formamos novas estrelas em nossa galáxia, há muitos aglomerados gravitacionais que não crescem até o tamanho e a massa necessários para criar estrelas; que resulta em sistemas estelares fracassados: planetas rebeldes, anãs marrons e um número maior de objetos de massa ainda menor que deveriam simplesmente viajar pela galáxia.

Além disso, as estrelas que se formam terão discos protoplanetários, que formam planetesimais que eventualmente crescem em sistemas estelares maduros próprios. Durante esse processo, no entanto, uma infinidade de objetos de vários tamanhos se forma e é ejetado, de trilhões e trilhões de pequenos corpos rochosos e gelados a alguns milhares de mundos do tamanho de Plutão e até mesmo alguns objetos do tamanho da Terra ou maiores. Ao todo, embora nossa galáxia tenha algo em torno de 400 bilhões de estrelas, podemos ter algo mais próximo de ~10²⁵ objetos de tamanho modesto (ou maiores) flutuando livremente pelo meio interestelar em nossa galáxia.

Esta imagem combinada muito profunda mostra o asteroide interestelar ‘Oumuamua no centro da imagem. Ele é cercado por trilhas de estrelas fracas que são manchadas à medida que os telescópios rastreiam o asteroide em movimento. Esta imagem foi criada combinando várias imagens do Very Large Telescope do ESO e do Gemini South Telescope. O objeto está marcado com um círculo azul e parece ser uma fonte pontual, sem poeira ao redor. (ESO/K. MEECH ET AL.)

A pergunta que você quer fazer, como um cientista em busca de uma explicação mundana para 'Oumuamua, é que tipos de objetos deveriam existir em grande número em toda a galáxia, e se algum deles teria propriedades consistentes com o que vimos quando isso aconteceu? intruso interestelar passou pelo nosso quintal cósmico?

Pequenos análogos aos asteróides foram sugeridos, mas o problema é que os asteróides tendem a liberar gás se tiverem moléculas voláteis em sua superfície, e a quantidade de liberação de gás necessária para produzir as acelerações que vimos está nos limites do que nossos instrumentos deveriam ter. fomos capazes de observar, e ainda assim não vimos nenhuma evidência de liberação de gases.

Na verdade, o problema do gás é muito significativo: não detectamos poeira, monóxido de carbono, água e dióxido de carbono, que são encontrados em abundância tanto para asteroides quanto para cometas em nosso Sistema Solar. Se ‘Oumuamua é um corpo como os que encontramos em nosso Sistema Solar, nossas observações diretas sugerem que está extremamente esgotado ou com baixo teor de voláteis.

E, no entanto, os voláteis são exatamente o que é necessário para criar a liberação de gases, que é o principal culpado pelas acelerações não gravitacionais dessa magnitude. Basicamente, vimos grandes acelerações que indicam desgaseificação, mas não encontramos material de desgaseificação em si, e esse é o maior mistério que precisamos resolver sobre esse objeto.

Mesmo os asteróides contêm quantidades substanciais de compostos voláteis e muitas vezes podem desenvolver caudas quando se aproximam do Sol. Mesmo que ʻOumuamua não tenha cauda ou coma, é muito provável que haja uma explicação astrofísica para seu comportamento relacionada à liberação de gases, desde que venha de uma molécula cuja assinatura não teríamos detectado. (ESA–SCIENCEOFFICE.ORG)

Ano passado, foi apresentada uma proposta interessante : talvez ‘Oumuamua não fosse rico em poeira, monóxido de carbono, água ou dióxido de carbono, mas uma molécula volátil diferente, como o gás hidrogênio. Se o hidrogênio molecular cobrisse apenas 6% da superfície de ‘Oumuamua, cientistas Darryl Seligman e Greg Laughlin calcularam , a sublimação desses gelos uma vez que ‘Oumuamua entrou em nosso Sistema Solar poderia ter causado essa aceleração extra, evitando a detecção até mesmo por nossos melhores instrumentos do dia.

Essa ideia, no entanto, esbarra em um problema particular: o gelo de hidrogênio sublima muito rapidamente, mesmo no espaço interestelar. No momento em que 100 milhões de anos se passam – aproximadamente a quantidade de tempo que os objetos que ocorrem naturalmente levam para pular de uma estrela para outra estrela próxima – um objeto muitas vezes o tamanho de ‘Oumuamua teria evaporado completamente.

A ideia particular de gelo de hidrogênio parece improvável por esse motivo, mas considerando essa possibilidade trouxe uma alternativa interessante: talvez existam outras moléculas abundantes por aí que possam aparecer abundantemente na superfície de objetos naturais, e talvez sua sublimação possa explicar tanto a aceleração não gravitacional de 'Oumuamua enquanto também permanece consistente com a falta de voláteis observada.

Vários gelos, sua composição molecular e o tamanho, albedo (refletividade) e aceleração observada de ‘Oumuamua. Observe que o gelo de nitrogênio, para um objeto esférico de ~ 25 metros e com um albedo de cerca de 0,64, pode reproduzir a aceleração observada de ‘Oumuamua e ainda permanecer consistente com o conjunto completo de outras observações. (ALAN P. JACKSON & STEVEN J. DESCH, LPI CONTRIB. Nº 2548)

Um candidato interessante que não foi considerado até este novo trabalho é a possibilidade de gelo de nitrogênio molecular (N2). O gelo de nitrogênio é visto abundantemente em grandes objetos externos do Sistema Solar, incluindo Plutão e Tritão, os dois maiores corpos conhecidos que se originaram no Cinturão de Kuiper do nosso Sistema Solar. (Sim, Tritão, a maior lua de Netuno , é um objeto capturado do Cinturão de Kuiper que é significativamente maior e mais massivo que Plutão.)

Esses gelos de nitrogênio cobrem grandes porções das superfícies dos maiores objetos do Cinturão de Kuiper e refletem cerca de ⅔ da luz do Sol, enquanto absorvem o outro terço. O gelo de nitrogênio em Plutão e Tritão tem vários quilômetros de espessura hoje, mas esse é o gelo de nitrogênio que permanece depois de orbitar o Sol por mais de 4 bilhões de anos. É teorizado que, no início da história do Sistema Solar, essas camadas de gelo de nitrogênio poderiam ter dezenas de quilômetros de espessura.

Além disso, nosso Sistema Solar deveria ter um Cinturão de Kuiper muito maior, mais espesso e massivo no início, antes da migração para fora de nossos planetas mais externos, incluindo Netuno. Nos estágios iniciais do nosso Sistema Solar, pode ter havido centenas ou mesmo milhares de objetos grandes comparáveis ​​em tamanho a Plutão, em comparação com apenas um punhado hoje.

Tritão, à esquerda, fotografado pela Voyager 2, e Plutão, à direita, fotografado pela New Horizons. Ambos os mundos são cobertos por uma mistura de nitrogênio, dióxido de carbono e gelo à base de água, mas Tritão é maior e tem uma densidade significativamente maior. Se Tritão fosse devolvido ao cinturão de Kuiper, seria o maior e mais maciço corpo lá fora. O encontro da Voyager 2 com Triton é a razão de sua trajetória exclusivamente ao sul. (NASA/JPL/USGS (L), NASA/JHUAPL/SWRI (R))

Mas é aqui que as coisas ficam interessantes. Quando um grande planeta como Netuno se aproxima de um cinturão de objetos de menor massa, a força gravitacional começa a espalhar esses objetos. Alguns colidirão uns com os outros; alguns serão lançados ao Sol; alguns serão expulsos inteiramente do Sistema Solar. Enquanto a maioria da massa permanecerá nesses grandes mundos, haverá grandes populações de objetos muito pequenos – com apenas dezenas ou centenas de metros de diâmetro – decorrentes das colisões que ocorrerem.

Em particular, as camadas externas desses mundos semelhantes a Plutão, consistindo principalmente de gelo de água e/ou nitrogênio, terão grandes pedaços ejetados deles e lançados no espaço durante esse processo. O que é notável sobre esta hipótese é que analisá-la prevê o seguinte:

• para um sistema solar como o nosso, um total de cerca de ~10¹⁵ (um quatrilhão) fragmentos de gelo de cerca de ~100 metros de tamanho serão produzidos,
• cerca de ⅔ da massa desses fragmentos estará na forma de gelo de água, enquanto os outros ⅓ serão gelo de nitrogênio,
• e a maioria dos objetos de tamanho pequeno - abaixo de ~ 1 quilômetro de tamanho - serão dominados por esses fragmentos de gelo, em vez de objetos ejetados semelhantes a cometas ou asteroides.

Plutão, o maior corpo atualmente no Cinturão de Kuiper, tem sua superfície coberta por uma camada de gelo com vários quilômetros de espessura. Os gelos dominantes são nitrogênio, dióxido de carbono e vapor de água, e as camadas de gelo provavelmente eram mais espessas no passado. As primeiras colisões podem ter gerado enormes quantidades de fragmentos de gelo: até 1⁰¹⁵ em tamanhos de ~ 100 metros para cada sistema estelar em nossa galáxia. (NASA/JHUAPL/SWRI)

Agora, você tem que perceber que o trabalho número um que qualquer cientista tem, ao propor qualquer nova ideia, é examiná-la com o maior rigor possível. Não temos simplesmente ideias e tentamos encontrar as evidências que as sustentam; fazemos tudo o que podemos para tentar encontrar buracos na ideia e considerar todas as restrições físicas e restrições que a natureza coloca em qualquer ideia que inventamos. Em particular, temos que garantir que, mesmo quando todas as restrições mencionadas anteriormente ainda se apliquem, a ideia permaneça válida.

Um fragmento de gelo de nitrogênio desse tamanho viveria o suficiente? À medida que viajam pelo meio interestelar, eles sofrerão erosão, mas sobreviverão por pelo menos 500 milhões de anos, em média, com fragmentos maiores durando mais; isso é aceitável.

Poderia um fragmento como este estar se movendo nas velocidades relativamente lentas que vimos: 26 km/s? Parece que sim; os sistemas estelares começam com velocidades de 5 a 10 km/s em relação a nós, e as interações gravitacionais com outras estrelas aumentam para ~20 a 50 km/s ao longo de bilhões de anos.

Quão abundantes prevemos que fragmentos de gelo de nitrogênio são baseados nesta análise? Este é respondido diretamente nos anais da conferência , se outros sistemas estelares tiverem um perfil de ejeção semelhante ao do Sistema Solar, esperamos que cerca de 4% dos corpos no ISM sejam fragmentos de gelo N2, tornando o ‘Oumuamua um corpo levemente incomum, mas não excepcional.

E haveria uma assinatura disso em nosso próprio Sistema Solar? Sim; se esses fragmentos de gelo de nitrogênio forem criados a partir de colisões iniciais, prevemos que aproximadamente 0,1% de todos os objetos da nuvem de Oort, atualmente além dos limites de nossas capacidades de observação, serão compostos de gelo N2.

Uma ilustração do jovem sistema solar em torno da estrela Beta Pictoris. Colisões entre objetos no início do cinturão de Kuiper levantarão grandes quantidades de fragmentos de gelo, em grande parte compostos de nitrogênio e água, e podem ser responsáveis ​​por uma porcentagem considerável do número total de objetos no meio interestelar hoje. (AVI M. MANDELL, NASA)

Na ciência, é de suma importância tornar suas previsões o mais concretas possível quando você está apresentando uma explicação hipotética para o que poderia causar um fenômeno observado incomum. ‘Oumuamua está definitivamente em uma classe por si só agora, mas saber o que antecipar pode nos ajudar enquanto procuramos caracterizar essa nova classe de objetos: os corpos que povoam o meio interestelar.

Há um argumento convincente a ser feito de que colisões entre grandes objetos nos Cinturões de Kuiper de outros sistemas estelares irão lançar enormes quantidades de fragmentos de gelo: em grande parte feitos de gelo de água e nitrogênio. Esses fragmentos, juntamente com muitos outros objetos, são ejetados no meio interestelar, onde viajam pela galáxia indefinidamente, até que evaporem completamente ou atinjam outro objeto.

Uma análise cuidadosa produz uma previsão de que cerca de 4% de todos esses objetos no meio interestelar serão fragmentos de gelo de nitrogênio. Com o Grande telescópio de pesquisa sinóptica no Observatório Vera Rubin chegando online nos próximos meses, pode não demorar muito para que o mistério de ‘Oumuamua e outros intrusos interestelares seja finalmente resolvido. Quando esse dia chegar, lembre-se da importância dos fragmentos de gelo e das primeiras colisões em exo-Plutos!

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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