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Por que todos os planetas orbitam no mesmo plano?

Simulações de formação de planetas tendem a nos dar planetas se formando em uma configuração semelhante a um disco, semelhante ao que observamos em nosso próprio Sistema Solar. (Thomas Quinn et al., Pittsburgh Supercomputing Center)

As possibilidades eram quase ilimitadas, então por que tudo se alinha?

Nosso Sistema Solar é um lugar ordenado, com os quatro planetas internos, o cinturão de asteróides e os mundos gigantes gasosos, todos orbitando no mesmo plano ao redor do Sol. Mesmo que você vá mais longe, os objetos do cinturão de Kuiper parecem se alinhar com o mesmo plano exato. Dado que o Sol é esférico e que existem estrelas aparecendo com planetas orbitando em todas as direções imagináveis, parece coincidência demais ser uma chance aleatória de que todos esses mundos se alinhem. Na verdade, praticamente todos os sistemas solares que observamos fora do nosso também parecem ter seus mundos alinhados no mesmo plano, onde quer que tenhamos sido capazes de detectá-lo. Aqui está a ciência por trás do que está acontecendo, até onde sabemos.

Os oito planetas do Sistema Solar orbitam o Sol em um plano quase idêntico, conhecido como Plano Invariável. Isso é típico dos sistemas solares como os conhecemos até agora. (Joseph Boyle do Quora)

Hoje, mapeamos as órbitas dos planetas com uma precisão incrível, e o que descobrimos é que eles giram em torno do Sol - todos eles - no mesmo plano bidimensional, com uma precisão de, no máximo, 7 ° diferença.

https://www.youtube.com/watch?v=oaBjfsoulao

Na verdade, se você tirar Mercúrio da equação, o planeta mais interno e mais inclinado, descobrirá que todo o resto está realmente bem alinhado: o desvio do plano invariável do Sistema Solar, ou o plano médio de órbita de os planetas, é apenas cerca de dois graus.

Se você tirar Mercúrio da equação, o planeta mais interno e inclinado, descobrirá que todos os mundos do Sistema Solar estão perfeitamente alinhados com uma precisão de dois graus, uma precisão notável para a natureza alcançar. (O autor do Wikimedia commons Lookang, baseado no trabalho de Todd K. Timberlake e Francisco Esquembre (L); captura de tela da Wikipedia (R))

Eles também estão bem alinhados com o eixo de rotação do Sol: assim como todos os planetas giram enquanto orbitam o Sol, o próprio Sol gira. E como você pode esperar, o eixo em torno do qual o Sol gira está – novamente – dentro de aproximadamente 7° de todas as órbitas dos planetas.

E, no entanto, isso não é o que você teria imaginado, a menos que algo fizesse com que todos esses planetas fossem colocados no mesmo plano. Você esperaria que as órbitas fossem orientadas aleatoriamente, já que a gravidade – a força que mantém os planetas nessas órbitas estáveis ​​– funciona da mesma forma em todas as três dimensões. Você esperaria algo mais como um enxame do que um conjunto bom e ordenado de círculos quase perfeitos. A questão é que, se você se afastar o suficiente do nosso Sol – além dos planetas e asteroides, além dos cometas do tipo Halley e até mesmo além do Cinturão de Kuiper – é exatamente isso que você encontra.

Embora se suponha que a nuvem de Oort exista em um enorme enxame esférico, o próprio cinturão de Kuiper ainda é principalmente plano, alinhando-se com o plano invariável em que os planetas orbitam. (NASA e William Crochot)

Então, o que exatamente fez com que nossos planetas terminassem em um único disco? Em um único plano orbitando nosso Sol, em vez de um enxame? Para entender isso, vamos viajar no tempo para quando nosso Sol estava se formando: a partir de uma nuvem molecular de gás, a mesma coisa que dá origem a todas as novas estrelas do Universo.

Uma grande nuvem molecular, muitas das quais são claramente visíveis na Via Láctea e em outras galáxias de grupos locais, muitas vezes se fragmentam, contraem e dão origem a novas estrelas massivas com o passar do tempo. (Yuri Beletsky (Observatório Las Campanas, Carnegie Institution for Science) (L); J. Alves, M. Lombardi e C. J. Lada, A&A, 462 1 (2007) L17-L21 (R))

Quando uma nuvem molecular cresce para ser massiva o suficiente, gravitacionalmente ligada e fria o suficiente para se contrair e colapsar sob sua própria gravidade, como a Nebulosa do Cachimbo (acima, à esquerda), ela formará regiões densas o suficiente onde novos aglomerados estelares nascerão ( círculos, acima à direita).

Você notará, imediatamente, que esta nebulosa – e qualquer nebulosa como ela – não é uma esfera perfeita, mas assume uma forma irregular e alongada. A gravitação é implacável com as imperfeições e, devido ao fato de que a gravidade é uma força de aceleração que quadruplica toda vez que você reduz pela metade a distância de um objeto massivo, ela pega até pequenas diferenças em uma forma inicial e as amplia tremendamente em pouco tempo.

Esta imagem de luz visível da Nebulosa de Órion foi criada pela equipe do Telescópio Espacial Hubble em 2004–2006. (NASA, ESA, M. Robberto (Space Telescope Science Institute/ESA) e a Equipe do Projeto Tesouro Orion do Telescópio Espacial Hubble)

O resultado é que você obtém uma nebulosa formadora de estrelas de forma incrivelmente assimétrica, onde as estrelas se formam nas regiões onde o gás fica mais denso. O problema é que, quando olhamos para dentro, para as estrelas individuais que estão lá, elas são esferas praticamente perfeitas, assim como o nosso Sol.

Dentro da Nebulosa de Órion, em luz visível (L) e luz infravermelha (R), uma nebulosa formadora de estrelas abriga um enorme aglomerado de estrelas no interior, evidência de que essas nebulosas estão dando origem a novos sistemas solares de maneira ativa. (NASA; KL Luhman (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Mass.); e G. Schneider, E. Young, G. Rieke, A. Cotera, H. Chen, M. Rieke, R. Thompson (Steward Observatory , University of Arizona, Tucson, Arizona); NASA, CR O'Dell e SK Wong (Rice University))

Mas assim como a própria nebulosa se tornou muito assimétrica, as estrelas individuais que se formaram dentro dela vieram de aglomerados imperfeitos, superdensos e assimétricos dentro dessa nebulosa. Eles vão desmoronar em uma (das três) dimensões primeiro, e como a matéria – coisas como você e eu, átomos, feitos de núcleos e elétrons – gruda e interage quando você bate em outra matéria, você vai acabar com um disco alongado, em geral, de matéria. Sim, a gravitação puxará a maior parte dessa matéria para o centro, que é onde a(s) estrela(s) se formarão, mas em torno dele você terá o que é conhecido como disco protoplanetário. Graças ao Telescópio Espacial Hubble, vimos esses discos diretamente!

Esses discos protoplanetários na Nebulosa de Órion, a cerca de 1300 anos-luz de distância, um dia se tornarão sistemas solares não muito diferentes do nosso. (Mark McCughrean (Max-Planck–Inst. Astron.); C. Robert O'Dell (Rice Univ.); NASA)

Essa é a sua primeira dica de que você vai acabar com algo que está mais alinhado em um plano do que uma esfera de enxame aleatório. Para ir para a próxima etapa, temos que recorrer a simulações, já que não estamos há tempo suficiente para assistir a esse processo se desenrolar – leva cerca de um milhão de anos – em qualquer sistema solar jovem. Mas aqui está a história que as simulações nos contam.

De acordo com as simulações, aglomerados assimétricos de matéria se contraem em uma dimensão primeiro, onde começam a girar. Esse plano é onde os planetas se formam, e muitos estágios intermediários foram observados diretamente por observatórios como o Hubble. (STScl OPO — C Burrows e J. Krist (STScl), K. Stabelfeldt (JPL) e NASA)

O disco protoplanetário, depois de se espalhar em uma dimensão, continuará a se contrair à medida que mais e mais matéria for atraída para o centro. Mas enquanto grande parte do material é canalizado para dentro, uma quantidade substancial dele acabará em uma órbita estável e giratória neste disco.

Por quê?

Há uma quantidade física que deve ser conservada: o momento angular, que nos diz o quanto todo o sistema – gás, poeira, estrela e tudo – está intrinsecamente girando. Por causa de como o momento angular funciona em geral e como é compartilhado uniformemente entre as diferentes partículas internas, isso significa que tudo no disco precisa se mover, aproximadamente, na mesma direção geral (no sentido horário ou anti-horário). Com o tempo, esse disco atinge um tamanho e espessura estáveis, e então pequenas instabilidades gravitacionais começam a transformar essas instabilidades em planetas.

Claro, existem pequenas e sutis diferenças (e efeitos gravitacionais ocorrendo entre planetas em interação) entre diferentes partes do disco, bem como pequenas diferenças nas condições iniciais. A estrela que se forma no centro não é um único ponto, mas sim um objeto estendido em algum lugar no estádio de um milhão de quilômetros de diâmetro. E quando você juntar tudo isso, isso fará com que tudo não termine em um plano perfeitamente singular, mas será extremamente próximo. Na verdade, só recentemente – como há apenas três anos – descobrimos o primeiro sistema planetário além do nosso que pegamos no processo de formação de novos planetas em um único plano.

A estrela HL Tauri, como fotografada na óptica (no canto superior esquerdo), é nova em folha e contém um disco protoplanetário ao seu redor. (ESA/NASA)

A jovem estrela no canto superior esquerdo da imagem acima, nos arredores de uma região nebular – HL Tauri, a cerca de 450 anos-luz de distância – está cercada por um disco protoplanetário. A estrela em si tem apenas cerca de um milhão de anos. Graças ao ALMA, uma matriz de linha de base longa que mede a luz de comprimentos de onda bastante longos (milímetros), ou mais de mil vezes mais do que nossos olhos podem ver, retornou a imagem a seguir.

O disco protoplanetário em torno da jovem estrela, HL Tauri, fotografado pelo ALMA. As lacunas no disco indicam a presença de novos planetas. (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO))

É claramente um disco, com tudo no mesmo plano, e ainda há lacunas escuras lá. Essas lacunas correspondem a um planeta jovem que atraiu toda a matéria em sua vizinhança! Não sabemos quais deles se fundirão, quais serão expulsos e quais migrarão para dentro e serão engolidos por sua estrela-mãe, mas estamos testemunhando um passo crucial no desenvolvimento de um jovem sistema solar. Embora tenhamos observado planetas jovens antes, nunca vimos esse estágio em particular. Desde os primeiros até os intermediários até os estágios posteriores de sistemas solares mais completos, todos são espetaculares e todos consistentes com a mesma história.

Imagens diretas de quatro planetas orbitando a estrela HR 8799 a 129 anos-luz de distância da Terra, um feito realizado através do trabalho de Jason Wang e Christian Marois. (J. Wang (UC Berkeley) & C. Marois (Herzberg Astrophysics), NExSS (NASA), Keck Obs.)

Então, por que todos os planetas estão no mesmo plano? Porque eles se formam a partir de uma nuvem assimétrica de gás, que colapsa primeiro na direção mais curta; a matéria se espalha e gruda; ele se contrai para dentro, mas acaba girando em torno do centro, com planetas se formando a partir de imperfeições naquele jovem disco de matéria; todos eles acabam orbitando no mesmo plano, separados apenas por alguns graus - no máximo - um do outro.

É um caso em que observações e simulações, baseadas em cálculos teóricos, concordam notavelmente entre si. É uma história notável e que - graças não apenas a simulações, mas agora a observações do próprio Universo - ilustra em detalhes incríveis o quão rico e fascinante é que todos os planetas orbitem no mesmo plano, não importa onde você vá!

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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