Sim, dois planetas podem compartilhar a mesma órbita

Da superfície de um mundo orbitando um planeta binário gigante, dois mundos, um potencialmente maior do que o outro, seriam visíveis por metade do tempo, em média. À noite, eles seriam de longe as características mais proeminentes no céu. Existem vários cenários que resultam em dois planetas ocupando a mesma órbita. (DASWORTGEWAND DE PIXABAY)
E um de nossos planetas tem as luas em órbita para provar isso.
Apesar dos perigos colocados ao planeta Terra por um cometa ou asteroide, nosso Sistema Solar é na verdade um lugar incrivelmente estável. Espera-se que todos os oito planetas permaneçam em suas órbitas, de forma estável, enquanto o Sol permanecer uma estrela normal da sequência principal. Mas isso não é necessariamente o caso de todos os sistemas solares.
Se dois planetas passam perto um do outro em órbita, um pode perturbar o outro, resultando em uma mudança orbital maciça. Esses dois planetas podem colidir, um deles pode ser ejetado ou até mesmo 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 órbita. (INSTITUTO LUNAR E PLANETÁRIO)
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 limpa se houvesse dois deles.

Em princípio, mesmo dois planetas gigantes gasosos que estivessem em órbita ao redor da 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. (NASA/AMES/JPL-CALTECH)
Felizmente, não estamos limitados pela definição questionável da IAU ao considerar planetas co-orbitantes. 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, é 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, 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.
Em simulações que fazemos 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 tem. É mais geral que a hipótese do Impacto Gigante, que envolve uma colisão entre a Terra e um mundo protoplanetário co-orbitante hipotético: Theia. (S. J. LOCK ET AL., J. GEOPHYS RESEARCH, 123, 4 (2018), P. 910-951)
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, cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, que resultou na formação do nosso moderno sistema Terra-Lua. Além disso, muito provavelmente causou 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 de origem asteroidal, que descobrimos.
Dois planetas não fazem um ótimo 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 farão 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 levando ou seguindo (ou alternando entre ambas) a 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 indefinidamente. (NASA)
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 que se move 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 centenas mais. (JECOWA DA WIKIMEDIA COMMONS)
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 asteroide 3753 Trigo , que está atualmente em uma órbita quase estável com o nosso mundo!
Embora este asteroide em particular não seja estável em escalas de tempo de bilhões de anos, é definitivamente possível que dois planetas compartilhem uma órbita como essa. 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 separados apenas por uma curta distância, você poderia ter o que é conhecido como sistema binário ou duplo. Estudos recentes indicam que isso é legitimamente possível .
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 mudam periodicamente à medida que o mundo interior ultrapassa o mundo exterior. Você pode pensar que isso é loucura, mas nosso Sistema Solar tem um exemplo onde isso acontece: duas das luas de Saturno, Epimeteu e Janus .
A cada quatro anos, qualquer lua interior (mais próxima de Saturno) chega a ultrapassar a exterior, 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 se trocam.
A física de como Janus e Epimetheus trocam de órbita pode ser explicada pela simples dinâmica gravitacional de dois objetos de baixa massa em órbita em torno de um objeto de massa muito maior. Interações gravitacionais mútuas podem existir de maneira quase estável como essa, criando órbitas estáveis por bilhões de anos ou mais. (EMILY LAKDAWALLA, 2006)
Nos últimos 25 anos, observamos essas duas luas dançarem bastante, com as configurações se repetindo sem mudanças perceptíveis ao longo de um período de oito anos. Até onde podemos dizer, essa configuração não é apenas estável nas escalas de tempo humanas, mas deve ser estável ao longo da vida útil 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 rotação de Mercúrio velocidade e movimento orbital obedecem a uma ressonância de 3:2.

Janus e Epimetheus são duas luas, de Saturno, que compartilham a mesma órbita via troca de órbita. Por causa das diferenças de massa entre eles, a órbita de Janus varia aproximadamente três vezes mais em seu semi-eixo maior que a órbita de Epimeteu. Essas duas luas trocam de posição a cada quatro anos, mas parecem nunca ter colidido. (NASA / JPL / DAVID SEAL)
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 estas 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 da classe M, e que parecem análogos aos sistemas jovianos ou saturnianos, em outras palavras, é totalmente concebível que tivéssemos um sistema planetário em algum lugar da 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 ligações definitivas entre a formação e a história evolutiva de todos esses corpos e as propriedades físicas que eles têm hoje. Os sistemas solares em torno de estrelas anãs vermelhas parecem ser apenas análogos ampliados de Júpiter ou Saturno. (NASA/JPL-CALTECH)
A notícia infeliz, 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 , pois descobriu-se que um dos candidatos planetários co-orbitantes tinha o dobro do período do planeta principal. Mas a ausência de evidência não é evidência de ausência. Esses planetas co-orbitantes 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. O único passo que resta é encontrá-los.
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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