12.4: Plutão e Caronte
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Compare as características orbitais de Plutão com as dos planetas
- Descreva informações sobre a superfície de Plutão deduzidas das imagens da New Horizons
- Observe algumas características distintivas da grande lua de Plutão, Caronte
Plutão não é uma lua, mas discutimos isso aqui porque seu tamanho e composição são semelhantes a muitas luas no sistema solar externo. Nossa compreensão de Plutão (e sua grande lua Caronte) mudou dramaticamente como resultado do sobrevoo da New Horizons em 2015.
Plutão é um planeta?
Plutão foi descoberto por meio de uma busca cuidadosa e sistemática, ao contrário de Netuno, cuja posição foi calculada a partir da teoria gravitacional. No entanto, a história da busca por Plutão começou com indícios de que Urano tinha pequenos desvios de sua órbita prevista, partidas que poderiam ser devidas à gravitação de um “Planeta X” não descoberto. No início do século XX, vários astrônomos, principalmente Percival Lowell, então no auge de sua fama como defensor da vida inteligente em Marte, se interessaram em procurar esse nono planeta.
Lowell e seus contemporâneos basearam seus cálculos principalmente em pequenas irregularidades inexplicáveis no movimento de Urano. Os cálculos de Lowell indicaram duas localizações possíveis para um perturbador Planeta X; a mais provável das duas estava na constelação de Gêmeos. Ele previu uma massa para o planeta intermediária entre as massas da Terra e Netuno (seus cálculos deram cerca de 6 massas terrestres). Outros astrônomos, no entanto, obtiveram outras soluções a partir das minúsculas irregularidades orbitais, inclusive incluindo um modelo que indicava dois planetas além de Netuno.
Em seu observatório no Arizona, Lowell procurou sem sucesso pelo planeta desconhecido de 1906 até sua morte em 1916, e a busca não foi renovada até 1929. Em fevereiro de 1930, um jovem assistente observador chamado Clyde Tombaugh (veja a caixa abaixo), comparando as fotografias que ele fez em 23 e 29 de janeiro daquele ano, encontrou um objeto fraco cujo movimento parecia estar quase certo para um planeta muito além da órbita de Netuno (Figura\(\PageIndex{1}\)). O novo planeta recebeu o nome de Plutão, o deus romano do submundo, que morava na escuridão remota, assim como o novo planeta. A escolha desse nome, entre centenas sugeridas, foi auxiliada pelo fato de as duas primeiras letras serem as iniciais de Percival Lowell.
Embora a descoberta de Plutão tenha parecido inicialmente uma justificativa da teoria gravitacional semelhante ao triunfo anterior de Adams e Le Verrier na previsão da posição de Netuno, agora sabemos que os cálculos de Lowell estavam errados. Quando sua massa e tamanho foram finalmente medidos, descobriu-se que Plutão não poderia ter exercido qualquer influência mensurável sobre Urano ou Netuno. Os astrônomos agora estão convencidos de que as pequenas anomalias relatadas nos movimentos de Urano não são, nem nunca foram, reais.
Desde o momento de sua descoberta, ficou claro que Plutão não era um gigante como os outros quatro planetas externos do sistema solar. Por muito tempo, pensou-se que a massa de Plutão era semelhante à da Terra, de modo que foi classificado como um quinto planeta terrestre, de alguma forma extraviado nos confins do sistema solar. Havia outras anomalias, no entanto, já que a órbita de Plutão era mais excêntrica e inclinada em relação ao plano do nosso sistema solar do que a de qualquer outro planeta. Somente após a descoberta de sua lua Caronte, em 1978, a massa de Plutão pôde ser medida e acabou sendo muito menor que a massa da Terra.
Além de Caronte, Plutão tem quatro pequenas luas. Observações subsequentes de Caronte mostraram que esta lua está em uma órbita retrógrada e tem um diâmetro de cerca de 1200 quilômetros, mais da metade do tamanho do próprio Plutão (Figura\(\PageIndex{2}\)). Isso faz de Caronte a lua cujo tamanho é a maior fração de seu planeta-mãe. Poderíamos até pensar em Plutão e Caronte como um mundo duplo. Visto de Plutão, Caronte teria o tamanho de oito luas cheias na Terra.
Para muitos astrônomos, Plutão parecia o primo estranho que todos esperam que não apareça na próxima reunião de família. Nem seu caminho ao redor do Sol nem seu tamanho se assemelham aos planetas gigantes nem aos planetas terrestres. Na década de 1990, os astrônomos começaram a descobrir pequenos objetos adicionais no extremo externo do sistema solar, mostrando que Plutão não era único. Discutiremos esses objetos transnetunianos posteriormente com outros corpos pequenos, no capítulo sobre Cometas e Asteróides - Detritos do Sistema Solar. Um deles (chamado Eris) tem quase o mesmo tamanho de Plutão, e outro (Makemake) é substancialmente menor. Ficou claro para os astrônomos que Plutão era tão diferente dos outros planetas que precisava de uma nova classificação. Portanto, foi chamado de planeta anão, ou seja, um planeta muito menor que os planetas terrestres. Agora conhecemos muitos objetos pequenos nas proximidades de Plutão e classificamos vários como planetas anões.
Uma história semelhante foi associada à descoberta dos asteróides. Quando o primeiro asteróide (Ceres) foi descoberto no início do século XIX, ele foi saudado como um novo planeta. Nos anos seguintes, no entanto, outros objetos foram encontrados com órbitas semelhantes às de Ceres. Os astrônomos decidiram que nem todos deveriam ser considerados planetas, então inventaram uma nova classe de objetos, chamados planetas menores ou asteróides. Hoje, Ceres também é chamado de planeta anão. Tanto os planetas menores quanto os planetas anões fazem parte de um cinturão inteiro ou zonas de objetos semelhantes (como discutiremos em Cometas e Asteróides - Detritos do Sistema Solar).
Então, Plutão é um planeta? Nossa resposta é sim, mas é um planeta anão, claramente não está na mesma liga com os oito planetas principais (quatro gigantes e quatro terrestres). Embora algumas pessoas tenham ficado chateadas quando Plutão foi reclassificado, podemos ressaltar que uma árvore anã ainda é um tipo de árvore e (como veremos) uma galáxia anã ainda é um tipo de galáxia.
CLYDE TOMBAUGH: DA FAZENDA À FAMA
Clyde Tombaugh descobriu Plutão quando tinha 24 anos, e sua posição como assistente de equipe no Observatório Lowell foi seu primeiro emprego remunerado. Tombaugh havia nascido em uma fazenda em Illinois, mas quando tinha 16 anos, sua família se mudou para o Kansas. Lá, com o incentivo de seu tio, ele observou o céu por meio de um telescópio que a família havia encomendado do catálogo da Sears. Mais tarde, Tombaugh construiu sozinho um telescópio maior e dedicou suas noites (quando não estava muito cansado do trabalho agrícola) a fazer esboços detalhados dos planetas (Figura\(\PageIndex{3}\)).
Em 1928, depois que uma tempestade de granizo arruinou a safra, Tombaugh decidiu que precisava de um emprego para ajudar a sustentar sua família. Embora ele tivesse apenas o ensino médio, ele pensou em se tornar um construtor de telescópios. Ele enviou esboços de seu planeta para o Observatório Lowell, buscando conselhos sobre se essa escolha de carreira era realista. Por uma maravilhosa reviravolta do destino, sua pergunta chegou justamente quando os astrônomos de Lowell perceberam que uma busca renovada por um nono planeta exigiria um observador muito paciente e dedicado.
As grandes placas fotográficas (pedaços de vidro com emulsão fotográfica) que Tombaugh foi contratado para tirar à noite e pesquisar durante o dia continham uma média de cerca de 160.000 imagens de estrelas cada. Como encontrar Plutão entre eles? A técnica envolvia tirar duas fotografias com cerca de uma semana de intervalo. Durante essa semana, um planeta se moveria um pouquinho, enquanto as estrelas permaneceram no mesmo lugar em relação umas às outras. Um novo instrumento chamado “comparador de piscadas” poderia alternar rapidamente as duas imagens em uma ocular. As estrelas, estando na mesma posição nas duas placas, não pareceriam mudar, pois as duas imagens estavam “piscando”. Mas um objeto em movimento pareceria se mexer para frente e para trás à medida que as placas eram alternadas.
Depois de examinar mais de 2 milhões de estrelas (e muitos alarmes falsos), Tombaugh encontrou seu planeta em 18 de fevereiro de 1930. Os astrônomos do observatório verificaram seus resultados cuidadosamente, e a descoberta foi anunciada em 13 de março, o 149º aniversário da descoberta de Urano. Parabéns e pedidos de entrevistas chegaram de todo o mundo. Os visitantes desceram ao observatório em dezenas, querendo ver o local onde o primeiro novo planeta em quase um século havia sido descoberto, bem como a pessoa que o havia descoberto.
Em 1932, Tombaugh se despediu de Lowell, onde continuou a pesquisar e piscar, para obter um diploma universitário. Eventualmente, ele recebeu um mestrado em astronomia e ensinou navegação para a Marinha durante a Segunda Guerra Mundial. Em 1955, depois de trabalhar para desenvolver um telescópio de rastreamento de foguetes, ele se tornou professor na New Mexico State University, onde ajudou a fundar o departamento de astronomia. Ele morreu em 1997; algumas de suas cinzas foram colocadas dentro da espaçonave New Horizons para Plutão.
Aqui está um vídeo comovente sobre a vida de Tombaugh, conforme descrito por seus filhos.
A natureza de Plutão
Usando dados da sonda New Horizons, os astrônomos mediram o diâmetro de Plutão em 2370 quilômetros, apenas 60% do tamanho da nossa Lua. A partir do diâmetro e da massa, encontramos uma densidade de 1,9 g/cm 3, sugerindo que Plutão é uma mistura de materiais rochosos e gelo de água em aproximadamente as mesmas proporções de muitas luas do planeta externo.
Partes da superfície de Plutão são altamente refletivas e seu espectro demonstra a presença em sua superfície de metano congelado, monóxido de carbono e nitrogênio. A temperatura máxima da superfície varia de cerca de 50 K quando Plutão está mais distante do Sol a 60 K quando está mais próximo. Mesmo essa pequena diferença é suficiente para causar uma sublimação parcial (passando do sólido ao gasoso) do gelo de metano e nitrogênio. Isso gera uma atmosfera quando Plutão está perto do Sol e congela quando Plutão está mais distante. Observações de estrelas distantes vistas através desta fina atmosfera indicam que a pressão superficial é cerca de dez milésimos da da Terra. Como Plutão é alguns graus mais quente que Tritão, sua pressão atmosférica é cerca de dez vezes maior. Essa atmosfera contém várias camadas distintas de neblina, presumivelmente causadas por reações fotoquímicas, como as da atmosfera de Titã (Figura\(\PageIndex{4}\)).
Chegar a Plutão com uma espaçonave foi um grande desafio, especialmente em uma época em que os orçamentos reduzidos da NASA não podiam suportar missões grandes e caras, como Galileo e Cassini. No entanto, como Galileu e Cassini, uma missão de Plutão exigiria um sistema elétrico nuclear que usasse o calor do plutônio para gerar energia para alimentar os instrumentos e mantê-los operando longe do calor do Sol. A NASA disponibilizou um dos últimos de seus geradores nucleares para tal missão. Supondo que uma espaçonave acessível, mas altamente capaz, pudesse ser construída, ainda havia o problema de chegar a Plutão, a quase 5 bilhões de quilômetros da Terra, sem esperar décadas. A resposta foi usar a gravidade de Júpiter para atirar a espaçonave em direção a Plutão.
O lançamento da New Horizons em 2006 deu início à missão em alta velocidade, e o sobrevoo de Júpiter, apenas um ano depois, deu a ela o impulso adicional necessário. A espaçonave New Horizons chegou a Plutão em julho de 2015, viajando a uma velocidade relativa de 14 quilômetros por segundo (ou cerca de 50.000 quilômetros por hora). Com essa alta velocidade, toda a sequência de sobrevoo foi comprimida em apenas um dia. A maioria dos dados registrados perto da aproximação mais próxima não pôde ser transmitida à Terra até muitos meses depois, mas quando finalmente chegaram, os astrônomos foram recompensados com um tesouro de imagens e dados.
Primeiras vistas de perto de Plutão
Plutão não é o mundo geologicamente morto que muitos esperavam para um objeto tão pequeno — longe disso. A divisão da superfície em áreas com composição e textura de superfície diferentes é aparente na foto colorida global mostrada na Figura\(\PageIndex{5}\). A cor avermelhada é aprimorada nesta imagem para destacar as diferenças de cor com mais clareza. As partes mais escuras da superfície parecem ter crateras, mas adjacente a elas há uma área de luz quase sem traços característicos no quadrante inferior direito desta imagem. As áreas escuras mostram as cores da névoa fotoquímica ou da poluição semelhante à da atmosfera de Titã. O material escuro que está manchando essas superfícies antigas pode vir da névoa atmosférica de Plutão ou de reações químicas que ocorrem na superfície devido à ação da luz solar.
As áreas claras na foto são bacias de planície. Aparentemente, são mares de nitrogênio congelado, talvez com muitos quilômetros de profundidade. Tanto o nitrogênio quanto o gás metano são capazes de escapar de Plutão quando ele está na parte de sua órbita próxima ao Sol, mas apenas muito lentamente, então não há razão para que uma vasta bacia de nitrogênio congelado não possa persistir por muito tempo.
A figura\(\PageIndex{6}\) mostra algumas das notáveis variedades de características de superfície reveladas pela New Horizons. À direita desta imagem, vemos a “linha costeira” da vasta bacia de gelo de nitrogênio que vimos como a região lisa na Figura\(\PageIndex{5}\). Apelidada temporariamente de “Planícies Sputnik”, em homenagem ao primeiro objeto humano a chegar ao espaço, essa região redonda tem aproximadamente mil quilômetros de largura e mostra células ou polígonos intrigantes com uma largura média de mais de 30 quilômetros. As montanhas no meio são grandes blocos de gelo de água congelada, alguns atingindo alturas de 2 a 3 quilômetros.
A figura\(\PageIndex{7}\) mostra outra visão da fronteira entre diferentes tipos de geologia. A largura desta imagem é de 250 quilômetros e mostra terrenos escuros, antigos e com muitas crateras; terreno escuro sem crateras com superfície montanhosa; terreno liso e geologicamente jovem; e um pequeno aglomerado de montanhas com mais de 3000 metros de altura. Nas melhores imagens, as áreas claras do gelo de nitrogênio parecem ter fluído de forma muito parecida com as geleiras da Terra, cobrindo alguns dos terrenos mais antigos abaixo delas.
As montanhas isoladas no meio das planícies lisas de nitrogênio provavelmente também são feitas de gelo de água, que é muito forte nas temperaturas de Plutão e pode flutuar com nitrogênio congelado. Montanhas adicionais e alguns terrenos montanhosos que lembraram a pele de cobra aos cientistas da missão são visíveis na Figura\(\PageIndex{7b}\). Essas são interpretações preliminares apenas dos primeiros dados provenientes da New Horizons em 2015 e início de 2016. Com o passar do tempo, os cientistas terão uma melhor compreensão da geologia única de Plutão.
Uma rápida olhada em Charon
Para aumentar os mistérios de Plutão, mostramos na Figura\(\PageIndex{8}\) uma das melhores imagens da New Horizons da grande lua de Plutão, Caronte. Lembre-se de que Caronte tem aproximadamente a metade do tamanho de Plutão (seu diâmetro é aproximadamente do tamanho do Texas). Caronte mantém o mesmo lado em direção a Plutão, assim como nossa Lua mantém o mesmo lado em direção à Terra. O que é único sobre o sistema Plutão-Caronte, no entanto, é que Plutão também mantém a mesma face em relação a Caronte. Como dois dançarinos se abraçando, esses dois constantemente se enfrentam enquanto giram pela pista de dança celestial. Os astrônomos chamam isso de dupla trava de maré.
O que a New Horizons mostrou foi outro mundo complexo. Há crateras dispersas na parte inferior da imagem, mas grande parte do resto da superfície parece lisa. Cruzando o centro da imagem está um cinturão de terrenos acidentados, incluindo o que parecem ser vales tectônicos, como se algumas forças tivessem tentado separar Caronte. No topo desta imagem estranha está uma calota polar nitidamente vermelha, de composição desconhecida. Muitas características de Charon ainda não foram compreendidas, incluindo o que parece ser uma montanha no meio de uma região de baixa altitude.
Resumo
A sonda New Horizons revelou que Plutão e Caronte são dois dos objetos mais fascinantes do sistema solar externo. Plutão é pequeno (um planeta anão), mas também surpreendentemente ativo, com áreas contrastantes de terreno com crateras escuras, bacias de gelo de nitrogênio de cor clara e montanhas de água congelada que podem estar flutuando no gelo de nitrogênio. Até mesmo a maior lua de Plutão, Caronte, mostra evidências de atividade geológica. Tanto Plutão quanto Caronte se revelaram muito mais dinâmicos e interessantes do que se poderia imaginar antes da missão New Horizons.