De acordo com a hipótese da Grande Manobra, uma vez Júpiter viajou pelo sistema solar, causando estragos com sua gravidade. Essa hipótese ainda não é totalmente aceita pela comunidade científica devido à sua complexidade, mas, mais recentemente, novas evidências surgiram a seu favor.
Astrônomos liderados por René Heller, da Universidade McMaster, postaram a pré-impressão correspondente no arXiv.org, e o próprio artigo já foi aceito para publicação na Astronomy & Astrophysics. Para entender melhor por que os cientistas precisam de tal hipótese, há várias questões importantes que precisam ser abordadas primeiro.
Sistema incomum
Até muito recentemente, a estrutura do sistema solar não levantava quaisquer questões: simplesmente não havia nada com que se comparar. É verdade que os modelos existentes de formação de planetas a partir de uma nuvem protoplanetária não davam a imagem que os astrônomos observam na prática, mas isso era atribuído à imperfeição dos próprios modelos. As primeiras descobertas de exoplanetas na década de 90 do século passado não afetaram muito a situação: a amostra era pequena, havia poucos exoplanetas.
Em 2009, foi colocado em operação o telescópio Kepler, cujo objetivo principal era justamente a busca de exoplanetas. Em 2015, a NASA registrou mais de 4 mil planetas candidatos vistos pela espaçonave. E depois dos primeiros mil deles, ficou claro que nosso sistema estelar está muito longe de ser típico.
Em primeiro lugar, temos quatro planetas do tamanho da Terra ou menos, e não uma única super-terra - corpos com um raio de 1,25-2,00 vezes o da Terra. Ao mesmo tempo, nos sistemas estelares examinados por nossos telescópios, as superterras, ao contrário, são uma vez e meia maiores que os chamados "planetas do tamanho da Terra".
A maioria dos 800 "planetas terrestres" (à esquerda) tem, na verdade, um raio ligeiramente maior do que o nosso planeta e, em massa, excede-o de 1,5 a 17 vezes; Terra, Vênus, Marte e Mercúrio são significativamente mais leves do que os planetas sólidos típicos de outros sistemas
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As citações aqui não são acidentais: esta classe inclui todos os corpos com um raio inferior a 1,25 Terra. Mas a maioria deles é maior do que nosso planeta e significativamente mais pesado do que ele (por exemplo, Kepler-10c é 17 vezes mais massivo que a Terra). Havia um entendimento de que o desenvolvimento do sistema planetário ao redor do Sol ocorria de alguma outra forma que não em sistemas exoplanetários com superterras.
Em segundo lugar, na maioria dos sistemas atualmente conhecidos, os gigantes gasosos estão muito mais próximos da estrela central do que Júpiter e Saturno. Às vezes, ainda mais perto de Mercúrio. Gigantes não poderiam surgir em tal lugar - a radiação de uma estrela simplesmente impediria a formação dos planetas. Isso significa, concluíram os cientistas, que os gigantes se formam longe da estrela, porém, eles são desacelerados pela substância remanescente do disco protoplanetário, movendo-se para órbitas mais próximas.
Em nosso sistema, no entanto, a desaceleração, se houve, teve consequências completamente diferentes - os planetas gigantes ainda estão localizados bem longe do sol.
É hora de migrar
E em 2010, o grupo de Kevin Walsh apresentou uma hipótese que explicava a ausência de superterras no sistema solar e o relativo afastamento dos gigantes gasosos no mesmo evento - a chamada Hipótese Grand Tack.
De acordo com Walsh, quando o sistema solar tinha de 1 a 10 milhões de anos e os planetas terrestres ainda não haviam se formado, Júpiter migrou de uma órbita de 3,5 unidades astronômicas (aproximadamente 525 milhões de quilômetros do Sol, uma unidade astronômica é igual à distância média da Terra ao Sol) em uma órbita de 1,5 unidades astronômicas, onde Marte está agora. Lá, o planeta gigante parou, provavelmente devido à gravidade de Saturno, que migrou após Júpiter para uma órbita de 2 unidades astronômicas do Sol. O gigante então começou a se mover lentamente para trás até retornar à sua órbita atual de 5 unidades astronômicas.
Se não fosse pela migração de Júpiter e Saturno, que é levado por ele, para o Sol e vice-versa, a região interna do Sistema Solar (acima) seria assim agora (abaixo).
A hipótese da Grande Manobra explicou apropriadamente muitas características altamente incomuns do sistema solar. Júpiter, durante sua jornada ao Sol e de volta, teve que limpar o local de formação dos planetas terrestres da massa "extra" de gás e poeira, privando-os da oportunidade de se tornarem superterras. Ao mesmo tempo, os locais onde Marte e o cinturão de asteróides foram formados foram os mais afetados pela gravidade do planeta gigante, o que levou a sua massa anormalmente pequena (e é, do ponto de vista da evolução do sistema solar, tal).
Mas, apesar de toda a atratividade da hipótese, ela parece um tanto complicada, razão pela qual muitos astrônomos ainda duvidam de sua exatidão. No novo trabalho, Rene Eller e co-autores decidiram testar que efeito a Grande Manobra poderia ter nas luas de Júpiter. A ideia é simples: é preciso simular o desenvolvimento do sistema solar com e sem manobra, para depois comparar os resultados. Se simulação com manobra for mais verdadeira, significa que o novo trabalho será mais uma prova da hipótese. Se não houver manobra, então que seja - isso significa que a hipótese de um Júpiter migrando é muito exótica.
De maior interesse para tais simulações são Ganimedes e Calisto, dois grandes satélites de Júpiter, metade água e metade sólido. O fato é que se a hipótese da manobra estiver correta, então ambos os corpos deveriam ter se formado antes da manobra propriamente dita: objetos com tal proporção de gelo de água não aparecem em lugares próximos a uma certa distância do sol. De acordo com os cálculos dos autores, levando em consideração a influência do Júpiter mais jovem e seu disco circunplanetário, Calisto e Ganimedes poderiam surgir a não mais que 4 unidades astronômicas do Sol.
Titã (no canto esquerdo inferior) não está longe da Lua em tamanho e gravidade, mas onde se formou havia mais elementos leves, portanto, um satélite relativamente pequeno tem uma atmosfera de nitrogênio quatro vezes mais densa que a Terra.
Que tipo de rastros o grande Tacking poderia deixar nos satélites? É tudo uma questão de atmosfera. Os autores do trabalho partiram da suposição de que a atmosfera da lua de Saturno, Titã, e as agora atmosféricas Calisto e Ganimedes de Júpiter, eram inicialmente semelhantes, assim como suas massas e zonas de formação.
Ao mesmo tempo, as estimativas dos modelos existentes dizem que a atmosfera de Titã, que é quatro vezes mais densa do que a da Terra, pode ser perdida pela gravidade não antes de setilhões de anos. Mesmo que para os satélites de Júpiter, este número seja reduzido várias vezes, tal atmosfera simplesmente não poderia ser perdida por eles durante a vida do sistema solar. Portanto, os cientistas sugeriram que o aquecimento dos satélites, causado pelas forças da gravidade das marés do gigante gasoso, desempenhou um papel fundamental na perda da atmosfera.
Ao mesmo tempo, a modelagem sem aderência mostrou que, apesar do poderoso campo gravitacional, Júpiter poderia fornecer aquecimento e perda do envelope de gás apenas em satélites próximos a este planeta, como Io e Europa. Mas Ganimedes e Calisto estariam atrás da "linha de neve" do disco primário próximo a Júpiter e não teriam sido capazes de perder a atmosfera devido ao aquecimento.
Aparentemente, Calisto é rica em elementos leves (como Titã), e até tem um oceano sob o gelo, mas não tem uma atmosfera significativa.
Quando os autores do trabalho introduziram em sua modelagem os efeitos da Grande Manobra, "colocando" Júpiter com seu disco a 1,5 UA. do Sol, onde receberia cerca de dez vezes mais radiação solar, a situação mudou.
De acordo com dados modernos, o Sol no primeiro milhão de anos de sua vida emitiu de 100 a 10.000 vezes mais raios-X e radiação ultravioleta do que emite agora. Um corpo com uma atmosfera de nitrogênio, como a atual Terra ou Titã, em tais condições inevitavelmente perdia seu envelope de gás. O fato é que a energia dos fótons dessa radiação é muito maior do que a da luz visível e, tendo-os absorvido, as partículas de nitrogênio tiveram que ganhar rapidamente uma velocidade de vários quilômetros por segundo e deixar a atmosfera. De acordo com os cálculos dos autores, sob tais condições, a atmosfera primária de nitrogênio da Terra seria perdida em apenas alguns milhões de anos. E corpos como Ganimedes e Calisto em uma órbita de 1,5 UA. deveria ter perdido sua atmosfera ainda mais rápido.
Esta conclusão distingue favoravelmente o modelo de Grandes Manobras da suposição de que as órbitas planetárias permanecem inalteradas. Dentro da estrutura deste último, é muito difícil imaginar como exatamente os satélites de Júpiter poderiam perder sua atmosfera sem perder água gelada ao longo do caminho.
Titan tem sua própria atmosfera
Para explicar porque, nessas condições, Titã não perdeu sua atmosfera, junto com Saturno em 2 UA. do Sol, os autores se basearam em dados da modelagem do disco circunplanetário primário de Saturno. De acordo com ele, Titã como um satélite não poderia se formar antes da Grande Manobra. Os planetas do Solar, assim como vemos nos sistemas exoplanetários, foram formados em ritmos diferentes e, quando o mais massivo (Júpiter) já havia completado esse processo, Saturno ainda não havia "ganho" cerca de 10% de sua massa. Isso significa que, na época da Grande Manobra, ele ainda estava absorvendo ativamente matéria de seu disco circunplanetário. Em tais condições, Titã, se ele existisse naquele momento, certamente cairia para Saturno. Portanto, Eller conclui, na realidade, Titã poderia ter se formado apenas algumas centenas de milhares de anos após a conclusão da manobra.
Como a Terra teve uma atmosfera de nitrogênio em tais condições? Os autores apontam que, de acordo com uma série de outros trabalhos, na atmosfera primária da Terra com sua significativa gravidade havia muito dióxido de carbono, que interage com os fótons energéticos de uma forma completamente diferente, e após absorvê-los, poderia efetivamente reemitir a energia recebida para o espaço, resfriando as camadas superiores da então atmosfera terrestre …
Os astrônomos chegam à conclusão de que na configuração atual do sistema solar é quase impossível propor outro cenário, em que alguns satélites dos planetas gigantes tenham uma atmosfera quatro vezes mais densa que a Terra, enquanto outros não a possuam. Mas, dentro da estrutura da hipótese das Grandes Manobras, o atual aparecimento das luas de Júpiter e Saturno pode ser explicado com muito mais sucesso do que se assumirmos que ambos os planetas nunca migraram para o Sol e de volta.
E, ao mesmo tempo, a hipótese tem muitos problemas não resolvidos. O mais importante ainda é que é extremamente difícil verificá-lo completamente. Muita coisa mudou em nosso sistema nos últimos 4,5 bilhões de anos e muitos fatores importantes que influenciaram o período inicial de sua história podem ser restaurados apenas indiretamente. Não se trata apenas da velocidade dos processos de migração, que dependiam fortemente da densidade não totalmente clara da antiga nuvem protoplanetária circunsolar. Uma série de modelos nos força a supor que, durante as migrações daquela época, gigantes gasosos poderiam ter ejetado um ou dois grandes planetas do sistema solar por interação gravitacional e, neste caso, os corpos que observamos podem não fornecer informações completamente exaustivas sobre eventos passados. Para uma confirmação mais completa da hipótese, dados observacionais mais completos são necessários para o mesmo Ganimedes e Calisto, que o grupo de Eller espera receber da espaçonave europeia JUpiter ICy luas Explorer (JUICE), que deve viajar para as luas de Júpiter em 2022-2030.
Boris Alexandrov
