7.4: Origem do Sistema Solar

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Descreva as características dos planetas que são usados para criar modelos de formação do sistema solar
• Descreva como as características dos sistemas extrassolares nos ajudam a modelar nosso próprio sistema solar
• Explicar a importância das colisões na formação do sistema solar

Grande parte da astronomia é motivada pelo desejo de entender a origem das coisas: encontrar respostas pelo menos parciais para perguntas antigas de onde o universo, o Sol, a Terra e nós mesmos viemos. Cada planeta e lua são um lugar fascinante que pode estimular nossa imaginação enquanto tentamos imaginar como seria visitar. Juntos, os membros do sistema solar preservam padrões que podem nos dizer sobre a formação de todo o sistema. Ao começarmos nossa exploração dos planetas, queremos apresentar nossa visão moderna de como o sistema solar se formou.

A recente descoberta de centenas de planetas em órbita ao redor de outras estrelas mostrou aos astrônomos que muitos sistemas exoplanetários podem ser bem diferentes do nosso próprio sistema solar. Por exemplo, é comum que esses sistemas incluam planetas de tamanho intermediário entre nossos planetas terrestres e gigantes. Freqüentemente, são chamadas de superterras. Alguns sistemas de exoplanetas têm até planetas gigantes próximos à estrela, invertendo a ordem que vemos em nosso sistema. Em O Nascimento das Estrelas e a Descoberta de Planetas fora do Sistema Solar, veremos esses sistemas de exoplanetas. Mas, por enquanto, vamos nos concentrar nas teorias de como nosso próprio sistema particular se formou e evoluiu.

Procurando padrões

Uma forma de abordar nossa questão de origem é procurar regularidades entre os planetas. Descobrimos, por exemplo, que todos os planetas estão quase no mesmo plano e giram na mesma direção em torno do Sol. O Sol também gira na mesma direção em torno de seu próprio eixo. Os astrônomos interpretam esse padrão como evidência de que o Sol e os planetas se formaram juntos a partir de uma nuvem giratória de gás e poeira que chamamos de nebulosa solar (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura Nebulosa\(\PageIndex{1}\) Solar. A concepção artística da nebulosa solar mostra a nuvem achatada de gás e poeira a partir da qual nosso sistema planetário se formou. Planetesimais gelados e rochosos (precursores dos planetas) podem ser vistos em primeiro plano. O centro brilhante é onde o Sol está se formando. (crédito: William K. Hartmann, Instituto de Ciências Planetárias)

A composição dos planetas dá outra pista sobre as origens. A análise espectroscópica nos permite determinar quais elementos estão presentes no Sol e nos planetas. O Sol tem a mesma composição dominada por hidrogênio de Júpiter e Saturno e, portanto, parece ter sido formado a partir do mesmo reservatório de material. Em comparação, os planetas terrestres e nossa Lua são relativamente deficientes nos gases leves e nos vários gelos que se formam a partir dos elementos comuns oxigênio, carbono e nitrogênio. Em vez disso, na Terra e em seus vizinhos, vemos principalmente os elementos pesados mais raros, como ferro e silício. Esse padrão sugere que os processos que levaram à formação de planetas no sistema solar interno devem, de alguma forma, ter excluído muitos dos materiais mais leves que são comuns em outros lugares. Esses materiais mais leves devem ter escapado, deixando um resíduo de material pesado.

A razão para isso não é difícil de adivinhar, tendo em mente o calor do sol. Os planetas internos e a maioria dos asteróides são feitos de rocha e metal, que podem sobreviver ao calor, mas contêm muito pouco gelo ou gás, que evaporam quando as temperaturas estão altas. (Para ver o que queremos dizer, basta comparar por quanto tempo uma pedra e um cubo de gelo sobrevivem quando são colocados sob a luz do sol.) No sistema solar externo, onde sempre foi mais frio, os planetas e suas luas, bem como os planetas anões e cometas gelados, são compostos principalmente de gelo e gás.

A evidência de longe

Uma segunda abordagem para entender as origens do sistema solar é procurar evidências externas de que outros sistemas de planetas estão se formando em outros lugares. Não podemos olhar para trás no tempo para a formação do nosso próprio sistema, mas muitas estrelas no espaço são muito mais jovens que o Sol. Nesses sistemas, os processos de formação de planetas ainda podem ser acessíveis à observação direta. Observamos que existem muitas outras “nebulosas solares” ou discos circunstelares — nuvens planas e giratórias de gás e poeira ao redor de estrelas jovens. Esses discos se assemelham aos estágios iniciais de formação do nosso próprio sistema solar há bilhões de anos (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\) Atlas de viveiros planetários. Estas fotos do Telescópio Espacial Hubble mostram seções da Nebulosa de Orion, uma região relativamente próxima onde estrelas estão se formando atualmente. Cada imagem mostra um disco circunstelar embutido orbitando uma estrela muito jovem. Vistos de diferentes ângulos, alguns são energizados para brilhar pela luz de uma estrela próxima, enquanto outros são escuros e vistos em silhueta contra o gás brilhante da Nebulosa de Orion. Cada um é um análogo contemporâneo de nossa própria nebulosa solar — um local onde os planetas provavelmente estão sendo formados hoje. (crédito: modificação do trabalho da NASA/ESA, L. Ricci (ESO))

Construindo planetas

Discos circunstelares são uma ocorrência comum em torno de estrelas muito jovens, sugerindo que discos e estrelas se formam juntos. Os astrônomos podem usar cálculos teóricos para ver como corpos sólidos podem se formar a partir do gás e da poeira nesses discos à medida que esfriam. Esses modelos mostram que o material começa a se unir primeiro formando objetos menores, precursores dos planetas, que chamamos de planetesimais.

Os computadores rápidos de hoje podem simular a forma como milhões de planetesimais, provavelmente não maiores que 100 quilômetros de diâmetro, podem se reunir sob sua gravidade mútua para formar os planetas que vemos hoje. Estamos começando a entender que esse processo foi violento, com planetesimais colidindo uns com os outros e, às vezes, até mesmo interrompendo os próprios planetas em crescimento. Como consequência desses impactos violentos (e do calor dos elementos radioativos neles), todos os planetas foram aquecidos até ficarem líquidos e gasosos e, portanto, diferenciados, o que ajuda a explicar suas estruturas internas atuais.

O processo de impactos e colisões no início do sistema solar era complexo e, aparentemente, muitas vezes aleatório. O modelo da nebulosa solar pode explicar muitas das regularidades que encontramos no sistema solar, mas as colisões aleatórias de grandes coleções de planetesimais podem ser a razão de algumas exceções às “regras” do comportamento do sistema solar. Por exemplo, por que os planetas Urano e Plutão giram de lado? Por que Vênus gira lentamente e na direção oposta aos outros planetas? Por que a composição da Lua se assemelha à Terra em muitos aspectos e ainda apresenta diferenças substanciais? As respostas a essas perguntas provavelmente estão em enormes colisões que ocorreram no sistema solar muito antes do início da vida na Terra.

Hoje, cerca de 4,5 bilhões de anos após sua origem, o sistema solar é — graças a Deus — um lugar muito menos violento. Como veremos, no entanto, alguns planetesimais continuaram a interagir e colidir, e seus fragmentos se movem pelo sistema solar como “transientes” itinerantes que podem causar problemas para os membros estabelecidos da família do Sol, como nossa própria Terra. (Discutimos essa “criação de problemas” em Cometas e asteróides: detritos do sistema solar.)

Uma grande variedade de infográficos no space.com permite que você explore como seria viver em vários mundos do sistema solar.

Conceitos principais e resumo

As regularidades entre os planetas levaram os astrônomos a hipotetizar que o Sol e os planetas se formaram juntos em uma nuvem gigante giratória de gás e poeira chamada nebulosa solar. Observações astronômicas mostram discos circunstelares tentadoramente semelhantes ao redor de outras estrelas. Dentro da nebulosa solar, o material primeiro se aglutinou em planetesimais; muitos deles se reuniram para formar os planetas e as luas. O restante ainda pode ser visto como cometas e asteróides. Provavelmente, todos os sistemas planetários se formaram de maneiras semelhantes, mas muitos sistemas de exoplanetas evoluíram por caminhos bem diferentes, como veremos em Amostras Cósmicas e a Origem do Sistema Solar.

Glossário

planetesimais

objetos, de dezenas a centenas de quilômetros de diâmetro, que se formaram na nebulosa solar como um passo intermediário entre grãos minúsculos e os objetos planetários maiores que vemos hoje; os cometas e alguns asteróides podem ser restos de planetesimais

nebulosa solar

a nuvem de gás e poeira a partir da qual o sistema solar se formou