Sim, dois planetas realmente podem compartilhar a mesma órbita
Dois planetas podem compartilhar de forma estável a mesma órbita? A sabedoria convencional diz que não, mas uma olhada nas luas de Saturno pode contar uma história diferente.- A dinâmica gravitacional é uma situação complicada, pois em escalas de tempo longas, os efeitos de outras massas próximas na estabilidade de um corpo em órbita podem causar uma ejeção ou colisão.
- Vimos evidências de instabilidades gravitacionais em todo o Universo, desde nosso Sistema Solar até exoplanetas desonestos, estrelas hipervelozes e muito mais.
- Mas em nosso próprio Sistema Solar, as luas gêmeas de Saturno, Janus e Epimeteu, não apenas compartilham a mesma órbita, mas trocam de posição periodicamente. A estabilidade pode ser realmente possível.
Apesar dos perigos que um cometa ou asteróide representa para o planeta Terra, nosso Sistema Solar é, na verdade, um lugar incrivelmente estável. Espera-se que todos os oito de nossos planetas permaneçam em suas órbitas, de forma estável, enquanto o Sol permanecer uma estrela normal da sequência principal. As simulações, de fato, indicam apenas cerca de 1% de chance de qualquer um dos nossos oito planetas ser ejetado nos 5 a 7 bilhões de anos restantes da vida do nosso Sol. Mas esse não é necessariamente o caso de todos os sistemas estelares, pois as instabilidades podem levar a ejeções planetárias.
Se dois planetas passam próximos um do outro em órbita, um pode perturbar o outro, resultando em uma enorme mudança orbital. Esses dois planetas podem colidir, um deles pode ser ejetado ou um pode até ser arremessado em sua estrela central. Mas há outra possibilidade: esses dois planetas poderiam compartilhar com sucesso uma única órbita juntos, permanecendo em órbita em torno de sua estrela-mãe indefinidamente. Pode parecer contra-intuitivo, mas nosso Sistema Solar oferece uma pista de como isso pode ocorrer.
Embora uma inspeção visual mostre uma grande lacuna entre os vários planetas do nosso Sistema Solar, não precisa necessariamente ser assim. Vários planetas podem compartilhar a mesma órbita por meio de vários mecanismos possíveis e, talvez, no futuro, encontremos um sistema solar com planetas em coorbitação.De acordo com a União Astronômica Internacional (IAU), há três coisas que um corpo em órbita precisa fazer para ser um planeta:
- Ele precisa estar em equilíbrio hidrostático ou ter gravidade suficiente para puxá-lo para uma forma esferoidal. (Em outras palavras, uma esfera perfeita, mais quaisquer efeitos rotacionais e outros que a distorçam.)
- Ele precisa orbitar o Sol e não qualquer outro corpo (por exemplo, não pode orbitar outro planeta).
- E precisa limpar sua órbita de quaisquer planetesimais, protoplanetas ou competidores planetários.
Esta última definição, estritamente falando, exclui dois planetas compartilhando a mesma órbita, já que a órbita não seria considerada “limpa” se houvesse dois deles.
Em princípio, mesmo dois planetas gigantes gasosos que estivessem orbitando a mesma estrela não seriam considerados planetas se compartilhassem uma órbita. A definição da IAU é inadequada em muitos aspectos, mesmo para astrônomos planetários e exoplanetários.Felizmente, não estamos limitados pela definição questionável da IAU ao considerar planetas em coorbitação. Em vez disso, podemos optar por nos preocupar se seria possível ter dois planetas semelhantes à Terra que compartilham a mesma órbita em torno de sua estrela. A grande preocupação, claro, é a gravitação.
A gravitação é capaz de arruinar uma órbita dupla de uma das duas maneiras que imaginamos anteriormente:
- uma interação gravitacional pode “chutar” um dos planetas com muita força, seja enviando-o para o sol ou para fora do sistema solar,
- ou a atração gravitacional mútua dos dois planetas pode fazer com que eles se fundam, resultando em uma colisão espetacular.
Nas simulações que executamos para modelar as formações de sistemas solares a partir de discos protoplanetários, ambos os efeitos são vistos com extrema frequência.
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 possui. É mais geral do que a hipótese do Impacto Gigante, que envolve uma colisão entre a Terra e um hipotético mundo protoplanetário co-orbitante: Theia.Este último caso é, de fato, algo que pode ter acontecido com a Terra quando o Sistema Solar tinha apenas algumas dezenas de milhões de anos! Definitivamente houve uma colisão, há cerca de 4,5 bilhões de anos, que resultou na formação de nosso moderno sistema Terra-Lua. Além disso, é muito provável que tenha causado um grande evento de recapeamento em nosso planeta; mesmo as rochas mais antigas que encontramos na Terra não são tão antigas quanto os meteoritos mais antigos – provavelmente provenientes do cinturão de asteróides primitivos – que descobrimos.
Dois planetas não fazem um bom trabalho ocupando a mesma órbita exata, no entanto, porque não existe estabilidade verdadeira nesses casos. O melhor que você pode fazer é esperar uma órbita quase estável. Nesse contexto, quase-estável significa que tecnicamente, em escalas de tempo infinitamente longas, tudo é instável, e esses planetas jogarão um jogo de Thunderdome: onde no máximo um permanecerá.
Um gráfico de contorno do potencial efetivo do sistema Terra-Sol. Os objetos podem estar em uma órbita estável semelhante à lunar ao redor da Terra ou em uma órbita quase estável à frente ou atrás (ou alternando entre ambos) da Terra. Os pontos L1, L2 e L3 são pontos de equilíbrio instável, mas um objeto em órbita ao redor do ponto L4 ou L5 pode permanecer estável por períodos de tempo indefinidamente longos.No entanto, você pode obter configurações que se sustentarão bilhões de anos antes que um desses dois eventos “ruins” ocorra. Para entender como, você precisa dar uma olhada no diagrama acima e, em particular, nos cinco pontos rotulados (em verde): Pontos de Lagrange.
Se você considerar apenas duas massas — o Sol e um único planeta — existem cinco pontos específicos onde os efeitos gravitacionais do Sol e do planeta se cancelam, e todos os três corpos se movem em uma órbita estável para sempre. Infelizmente, apenas dois desses pontos de Lagrange, L4 e L5, são estáveis; qualquer coisa que comece nos outros três (L1, L2 ou L3) se afastará de forma instável, acabando colidindo com o planeta principal ou sendo ejetado.
As órbitas de Cruithne e da Terra ao longo de um ano. A localização de Cruithne é indicada pela caixa vermelha, pois é muito pequena para ser vista a essa distância. A Terra é o ponto branco movendo-se ao longo do círculo azul. O círculo amarelo no centro é o nosso Sol. Embora 3753 Cruithne não seja exatamente estável, ele permaneceu em uma órbita aparente em torno de um dos pontos de Lagrange da Terra (da nossa perspectiva) por centenas de anos e permanecerá por mais centenas.Mas L4 e L5 são os pontos em torno dos quais os asteróides se acumulam. Todos os mundos gigantes gasosos têm milhares, mas até a Terra tem um: o asteróide 3753 Trigo , que está atualmente em uma órbita quase estável com o nosso mundo!
Embora este asteróide em particular não seja estável em escalas de tempo de bilhões de anos, é definitivamente possível que dois planetas compartilhem uma órbita como esta. Também é possível ter um planeta binário, que seria muito parecido com o sistema Terra/Lua (ou o sistema Plutão/Caronte), exceto sem um “vencedor” claro sobre quem é o planeta e quem é a lua. Se você tivesse um sistema em que dois planetas fossem comparáveis em massa/tamanho e apenas separados por uma curta distância, você poderia ter o que é conhecido como sistema binário ou de planeta duplo. Estudos recentes indique aquilo isso é legitimamente possível .
Esta imagem anotada da visão do ALMA do sistema PDS 70 mostra a estrela central, os dois planetas conhecidos, o disco protoplanetário externo e também um possível companheiro de co-orbitação do planeta interno, PDS 70b.Mas há mais uma maneira de fazer isso, e isso é algo que você pode não ter pensado que era estável: você pode ter dois planetas de massa comparável em duas órbitas separadas, uma interior à outra, onde as órbitas trocam periodicamente conforme o mundo interior ultrapassa o mundo exterior. Você pode achar que isso é loucura, mas nosso Sistema Solar tem um exemplo onde isso acontece: duas das luas de Saturno, Epimeteu e Jano .
Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!A cada quatro anos, qualquer lua que esteja no interior (mais próxima de Saturno) ultrapassa a externa, e sua atração gravitacional mútua faz com que a lua interna se mova para fora, enquanto a lua externa se move para dentro e elas trocam.
A física de como Janus e Epimeteu trocam de órbita pode ser explicada pela dinâmica gravitacional simples de dois objetos de baixa massa em órbita ao redor de um objeto de massa muito maior. Interações gravitacionais mútuas podem existir de forma quase estável como esta, criando órbitas estáveis por bilhões de anos ou mais.Nas últimas três décadas, observamos essas duas luas dançando bastante, com as configurações se repetindo sem mudanças perceptíveis ao longo de um período de oito anos. Tanto quanto podemos dizer, esta configuração não é apenas estável em escalas de tempo humanas, mas deve ser estável ao longo da vida do nosso Sistema Solar.
As ressonâncias aparecem de muitas maneiras diferentes na dinâmica planetária, incluindo a maneira como Netuno afeta a distribuição dos objetos do cinturão de Kuiper, a maneira como as luas de Júpiter, Io, Europa e Ganimedes, obedecem a um padrão orbital simples de 1:2:4 e como a velocidade de rotação e o movimento orbital de Mercúrio obedecem a uma ressonância de 3:2.
Janus e Epimetheus são duas luas de Saturno que compartilham a mesma órbita por meio de troca de órbita. Devido às diferenças de massa entre eles, a órbita de Jano varia aproximadamente três vezes mais em seu semieixo maior do que a órbita de Epimeteu. Essas duas luas trocam de posição a cada quatro anos, mas parecem nunca ter colidido.Não é surpresa que as órbitas planetárias também possam obedecer a uma ressonância de troca de órbita, com Janus e Epimethius fornecendo um exemplo espetacular. Você pode objetar que são luas ao redor de um planeta, não planetas ao redor de uma estrela, mas gravidade é gravidade, massa é massa e órbitas são órbitas. A magnitude exata é a única diferença, enquanto a dinâmica pode ser extremamente semelhante.
Considerando que agora sabemos de sistemas exoplanetários que existem em grande abundância em torno de estrelas anãs vermelhas de classe M, e que parecem análogos aos sistemas Joviano ou Saturniano, em outras palavras, é totalmente concebível que tenhamos um sistema planetário em algum lugar em nossa galáxia com dois planetas (em vez de luas) que fazem exatamente isso!
Sistema TRAPPIST-1 em comparação com os planetas internos do sistema solar e as luas de Júpiter. Embora possa parecer arbitrário como esses objetos são classificados, existem vínculos definitivos entre a formação e a história evolutiva de todos esses corpos e as propriedades físicas que eles possuem hoje. Os sistemas solares em torno de estrelas anãs vermelhas parecem ser apenas análogos em escala de Júpiter ou Saturno.A infeliz notícia, pelo menos por enquanto, é que, dos milhares de planetas descobertos em torno de outras estrelas, ainda não temos nenhum candidato a planeta binário. Houve um candidato que foi anunciado nos primeiros dias da missão Kepler, mas foi retirado , já que foi descoberto que um dos candidatos planetários em co-órbita tem, na verdade, o dobro do período do planeta principal. Mas a ausência de evidência não é evidência de ausência. Esses planetas em coorbitação podem ser raros, mas com mais e melhores dados, esperamos encontrá-los.
Dê-nos um telescópio melhor para encontrar planetas, um milhão de estrelas com planetas ao seu redor e cerca de 10 anos de tempo de observação. Com instalações como essas, provavelmente encontraríamos exemplos de todos os três exemplos possíveis de órbitas de compartilhamento de planetas. As leis da gravidade e nossas simulações nos dizem que eles deveriam estar lá. Talvez uma versão jovem disso foi encontrado em torno da estrela PDS 70 , mas os exemplos maduros permanecem indescritíveis. O único passo que resta é encontrá-los.
Ethan Siegel está de férias esta semana. Por favor, aproveite este artigo dos arquivos de Starts With A Bang!
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