11.1: Explorando os planetas externos
- Page ID
- 183607
Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Forneça uma visão geral da composição dos planetas gigantes
- Faça uma crônica da exploração robótica do sistema solar externo
- Resuma as missões enviadas para orbitar os gigantes gasosos
Os planetas gigantes detêm a maior parte da massa do nosso sistema planetário. Júpiter sozinho excede a massa de todos os outros planetas combinados (Figura\(\PageIndex{1}\)). O material disponível para construir esses planetas pode ser dividido em três classes de acordo com o que eles são feitos: “gases”, “gelos” e “rochas” (veja a Tabela\(\PageIndex{1}\)). Os “gases” são principalmente hidrogênio e hélio, os elementos mais abundantes no universo. Do jeito que é usado aqui, o termo “gelos” se refere apenas à composição e não se uma substância está realmente em estado sólido. “Gelos” significa compostos que se formam a partir dos próximos elementos mais abundantes: oxigênio, carbono e nitrogênio. Os gelos comuns são água, metano e amônia, mas os gelos também podem incluir monóxido de carbono, dióxido de carbono e outros. As “rochas” são ainda menos abundantes do que os gelos e incluem todo o resto: magnésio, silício, ferro e assim por diante.
| Tipo de material | Nome | % aproximado (em massa) |
|---|---|---|
| Gás | Hidrogênio (H 2) | 75 |
| Gás | Hélio (He) | 24 |
| Gelo | Água (H 2 O) | 0,6 |
| Gelo | Metano (CH 4) | 0,4 |
| Gelo | Amônia (NH 3) | 0.1 |
| Rocha | Magnésio (Mg), ferro (Fe), silício (Si) | 0,3 |
No sistema solar externo, os gases dominam os dois maiores planetas, Júpiter e Saturno, daí o apelido de “gigantes gasosos”. Urano e Netuno são chamados de “gigantes do gelo” porque seus interiores contêm muito mais do componente “gelo” do que seus primos maiores. A química de todas as atmosferas de quatro planetas gigantes é dominada pelo hidrogênio. Esse hidrogênio fez com que a química do sistema solar externo se tornasse reduzida, o que significa que outros elementos tendem a se combinar primeiro com o hidrogênio. No início do sistema solar, a maior parte do oxigênio se combinava com o hidrogênio para produzir H 2 O e, portanto, não estava disponível para formar os tipos de compostos oxidados com outros elementos que nos são mais familiares no sistema solar interno (como o CO 2). Como resultado, os compostos detectados na atmosfera dos planetas gigantes são principalmente gases à base de hidrogênio, como metano (CH 4) e amônia (NH 3), ou hidrocarbonetos mais complexos (combinações de hidrogênio e carbono), como etano (C 2 H 6) e acetileno (C 2 H (2).
Exploração do sistema solar externo até agora
Oito espaçonaves, sete dos Estados Unidos e uma da Europa, penetraram além do cinturão de asteróides no reino dos gigantes. A tabela\(\PageIndex{2}\) resume as missões da espaçonave para o sistema solar externo.
| Planeta | Nave espacial 1 | Data do encontro | Tipo |
|---|---|---|---|
| Júpiter | Pioneiro 10 | Dezembro de 1973 | Voar |
| Pioneiro 11 | Dezembro de 1974 | Voar | |
| Voyager 1 | Março de 1979 | Voar | |
| Voyager 2 | Julho de 1979 | Voar | |
| Ulisses | Fevereiro de 1992 | Voe durante a assistência à gravidade | |
| Galileo | Dezembro de 1995 | Orbitador e sonda | |
| Cassini | Dezembro de 2002 | Voar | |
| Novos horizontes | Fevereiro de 2007 | Voe durante a assistência à gravidade | |
| Juno | Julho de 2016 | Orbitador | |
| Saturno | Pioneiro 11 | Setembro de 1979 | Voar |
| Voyager 1 | Novembro de 1980 | Voar | |
| Voyager 2 | Agosto de 1981 | Voar | |
| Cassini | Julho de 2004 (injeção de órbita de Saturno 2000) | Orbitador | |
| Urano | Voyager 2 | Janeiro de 1986 | Voar |
| Netuno | Voyager 2 | Agosto de 1989 | Voar |
Os desafios de explorar tão longe da Terra são consideráveis. Os tempos de voo para os planetas gigantes são medidos em anos a décadas, em vez dos meses necessários para chegar a Vênus ou Marte. Mesmo na velocidade da luz, as mensagens demoram horas para passar entre a Terra e a espaçonave. Se ocorrer um problema perto de Saturno, por exemplo, uma espera de horas para que o alarme chegue à Terra e que as instruções sejam encaminhadas de volta à espaçonave pode significar um desastre. As naves espaciais para o sistema solar externo devem, portanto, ser altamente confiáveis e capazes de um maior grau de independência e autonomia. As missões externas do sistema solar também devem transportar suas próprias fontes de energia, pois o Sol está muito longe para fornecer energia suficiente. Os aquecedores são necessários para manter os instrumentos em temperaturas operacionais adequadas, e as naves espaciais devem ter transmissores de rádio potentes o suficiente para enviar seus dados a receptores na Terra distante.
As primeiras espaçonaves a investigar as regiões além de Marte foram as Pioneers 10 e 11 da NASA, lançadas em 1972 e 1973 como pioneiras para Júpiter. Um de seus principais objetivos era simplesmente determinar se uma espaçonave poderia realmente navegar pelo cinturão de asteróides que fica além de Marte sem ser destruída por colisões com poeira de asteróides. Outro objetivo era medir os riscos de radiação na magnetosfera (ou zona de influência magnética) de Júpiter. Ambas as espaçonaves passaram pelo cinturão de asteróides sem incidentes, mas as partículas energéticas no campo magnético de Júpiter quase destruíram seus componentes eletrônicos, fornecendo as informações necessárias para o design seguro das missões subsequentes.
A Pioneer 10 passou por Júpiter em 1973 e depois acelerou em direção aos limites do sistema solar. A Pioneer 11 empreendeu um programa mais ambicioso, usando a gravidade de Júpiter para mirar em Saturno, que alcançou em 1979. A espaçonave gêmea Voyager lançou a próxima onda de exploração de planetas externos em 1977. Cada uma das Voyagers 1 e 2 transportava 11 instrumentos científicos, incluindo câmeras e espectrômetros, bem como dispositivos para medir as características das magnetosferas planetárias. Como eles continuaram saindo depois de seus encontros planetários, agora são a espaçonave mais distante já lançada pela humanidade.
A Voyager 1 chegou a Júpiter em 1979 e usou uma assistência gravitacional desse planeta para levá-la a Saturno em 1980. A Voyager 2 chegou a Júpiter quatro meses depois, mas depois seguiu um caminho diferente para visitar todos os planetas externos, chegando a Saturno em 1981, Urano em 1986 e Netuno em 1989. Essa trajetória foi possível graças ao alinhamento aproximado dos quatro planetas gigantes do mesmo lado do Sol. Cerca de uma vez a cada 175 anos, esses planetas estão em tal posição, e isso permite que uma única espaçonave visite todos eles usando sobrevoos assistidos por gravidade para ajustar o curso de cada encontro subsequente; tal manobra foi apelidada de “Grand Tour” pelos astrônomos.
O Laboratório de Propulsão a Jato tem um bom vídeo chamado Voyager: The Grand Tour que descreve a missão da Voyager e o que ela descobriu.
ENGENHARIA E CIÊNCIA ESPACIAL: ENSINANDO NOVOS TRUQUES A UMA ESPAÇONAVE ANTIGA
Quando a Voyager 2 chegou a Neptune em 1989, 12 anos após seu lançamento, a espaçonave estava começando a mostrar sinais de velhice. O braço no qual a câmera e outros instrumentos estavam localizados era “artrítico”: ele não conseguia mais se mover facilmente em todas as direções. O sistema de comunicação estava “com deficiência auditiva”: parte de seu receptor de rádio havia parado de funcionar. Os “cérebros” tiveram uma “perda de memória” significativa: parte da memória interna do computador havia falhado. E toda a espaçonave estava começando a ficar sem energia: seus geradores começaram a mostrar sérios sinais de desgaste.
Para tornar as coisas ainda mais desafiadoras, a missão da Voyager em Netuno foi, em muitos aspectos, a mais difícil de todos os quatro sobrevoos. Por exemplo, como a luz solar em Netuno é 900 vezes mais fraca do que na Terra, a câmera de bordo teve que suportar exposições muito mais longas nesse ambiente sem luz. Esse era um requisito não trivial, já que a espaçonave estava sendo lançada por Netuno a dez vezes a velocidade de uma bala de rifle.
A solução foi girar a câmera para trás exatamente na taxa que compensaria o movimento para frente da espaçonave. Os engenheiros precisaram pré-programar o computador da nave para executar uma série incrivelmente complexa de manobras para cada imagem. As belas imagens de Netuno da Voyager são uma prova da engenhosidade dos engenheiros de naves espaciais.
A grande distância da nave de seus controladores na Terra foi outro desafio. A Voyager 2 recebeu instruções e devolveu seus dados por meio de um transmissor de rádio integrado. A distância da Terra a Netuno é de cerca de 4,8 bilhões de quilômetros. Nessa vasta distância, a potência que chegou até nós da Voyager 2 em Netuno foi de aproximadamente 10 a 16 watts, ou 20 bilhões de vezes menos potência do que a necessária para operar um relógio digital. Trinta e oito antenas diferentes em quatro continentes foram usadas pela NASA para coletar os sinais fracos da espaçonave e decodificar as informações preciosas sobre Netuno que elas continham.
Entre nos orbitadores: Galileo e Cassini e Juno
As missões Pioneer e Voyager foram sobrevoos dos planetas gigantes: cada uma delas produzia apenas olhares rápidos antes que a espaçonave avançasse. Para estudos mais detalhados desses mundos, precisamos de naves espaciais que possam entrar em órbita ao redor de um planeta. Para Júpiter e Saturno, esses orbitadores eram as espaçonaves Galileo e Cassini, respectivamente. Até o momento, nenhuma missão orbitária foi iniciada para Urano e Netuno, embora cientistas planetários tenham expressado grande interesse.
A espaçonave Galileo foi lançada em direção a Júpiter em 1989 e chegou em 1995. O Galileo iniciou suas investigações implantando uma sonda de entrada em Júpiter, para os primeiros estudos diretos das camadas atmosféricas externas do planeta.
A sonda mergulhou em um ângulo raso na atmosfera de Júpiter, viajando a uma velocidade de 50 quilômetros por segundo — é rápida o suficiente para voar de Nova York a São Francisco em 100 segundos! Essa foi a velocidade mais alta com que qualquer sonda entrou até agora na atmosfera de um planeta e exigiu muito do escudo térmico que a protegia. A alta velocidade de entrada foi resultado da aceleração da forte atração gravitacional de Júpiter.
O atrito atmosférico diminuiu a velocidade da sonda em 2 minutos, produzindo temperaturas na frente de seu escudo térmico de até 15.000 °C. Quando a velocidade da sonda caiu para 2500 quilômetros por hora, os restos do escudo térmico brilhante foram descartados e um paraquedas foi acionado para abaixar a sonda instrumentada espaçonave mais suavemente na atmosfera (Figura\(\PageIndex{3}\)). Os dados dos instrumentos da sonda foram retransmitidos para a Terra por meio da espaçonave principal Galileo.
A sonda continuou operando por uma hora, descendo 200 quilômetros na atmosfera. Alguns minutos depois, o paraquedas de poliéster derreteu e, em poucas horas, a estrutura principal de alumínio e titânio da sonda se vaporizou para se tornar parte do próprio Júpiter. Cerca de 2 horas após o recebimento dos dados finais da sonda, a espaçonave principal disparou seus retrofoguetes para que ela pudesse ser capturada em órbita ao redor do planeta, onde seus principais objetivos eram estudar as grandes e muitas vezes intrigantes luas de Júpiter.
A missão da Cassini a Saturno (Figura\(\PageIndex{2}\)), um empreendimento cooperativo entre a NASA e a Agência Espacial Europeia, foi semelhante ao Galileo em sua abordagem dupla. Lançada em 1997, a Cassini chegou em 2004 e entrou em órbita ao redor de Saturno, iniciando extensos estudos de seus anéis e luas, bem como do próprio planeta. Em janeiro de 2005, a Cassini implantou uma sonda de entrada na atmosfera da grande lua de Saturno, Titã, onde pousou com sucesso na superfície. (Discutiremos a sonda e o que ela encontrou no capítulo sobre Anéis, Luas e Plutão.)
As missões Voyager e Galileo para Júpiter foram projetadas principalmente para estudar as luas e a atmosfera do planeta. A próxima missão da NASA, um orbitador chamado Juno, chegou a Júpiter em julho de 2016. Para cumprir seus objetivos de estudar a magnetosfera joviana, ela tem uma órbita muito alongada (excêntrica) de 55 dias, que a leva de 4 mil quilômetros acima do topo da nuvem para 76 mil quilômetros. A órbita leva a nave sobre os pólos de Júpiter, nos dando notáveis close-ups das regiões polares (naves espaciais anteriores viam o planeta de latitudes mais baixas).
O Juno foi originalmente projetado sem uma câmera, mas, felizmente, os cientistas corrigiram essa omissão, adicionando uma câmera colorida simples voltada para baixo para usar durante passagens próximas por Júpiter. Reconhecendo o valor de tais imagens, tanto científicas quanto artísticas, decidiu-se publicar as imagens brutas e incentivar os “cientistas cidadãos” a processá-las. O produto tem muitas vistas dramáticas e coloridas de Júpiter, como a Figura\(\PageIndex{2}\).
Conceitos principais e resumo
O sistema solar externo contém os quatro planetas gigantes: Júpiter, Saturno, Urano e Netuno. Os gigantes gasosos Júpiter e Saturno têm composições gerais semelhantes às do Sol. Esses planetas foram explorados pelas espaçonaves Pioneer, Voyager, Galileo e Cassini. A Voyager 2, talvez a mais bem-sucedida de todas as missões de ciências espaciais, explorou Júpiter (1979), Saturno (1981), Urano (1986) e Netuno (1989) - uma grande turnê pelos planetas gigantes - e esses sobrevoos foram as únicas explorações até o momento dos gigantes de gelo Urano e Netuno. As missões Galileo e Cassini eram orbitadoras de longa duração, e cada uma também implantou uma sonda de entrada, uma em Júpiter e outra na lua de Saturno, Titã.
Notas de pé
1 Tanto a espaçonave Ulysses quanto a New Horizons (projetadas para estudar o Sol e Plutão, respectivamente) passaram por Júpiter para aumentar a gravidade (ganhando energia ao “roubar” um pouco da rotação do planeta gigante).