21.6: Novas perspectivas sobre a formação de planetas
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objetivos de aprendizagem
Ao final desta seção, você poderá:
- Explique como as descobertas de exoplanetas revisaram nossa compreensão da formação de planetas
- Discuta como sistemas planetários bem diferentes do nosso sistema solar podem ter surgido
Tradicionalmente, os astrônomos presumem que os planetas do nosso sistema solar se formaram a aproximadamente suas distâncias atuais do Sol e permaneceram lá desde então. O primeiro passo na formação de um planeta gigante é construir um núcleo sólido, o que acontece quando planetesimais colidem e grudam. Eventualmente, esse núcleo se torna massivo o suficiente para começar a varrer material gasoso no disco, construindo assim os gigantes gasosos Júpiter e Saturno.
Como fazer um Júpiter quente
O modelo tradicional para a formação de planetas só funciona se os planetas gigantes se formarem longe da estrela central (cerca de 5—10 UA), onde o disco é frio o suficiente para ter uma densidade bastante alta de matéria sólida. Isso não explica os Júpiters quentes, que estão localizados muito perto de suas estrelas, onde qualquer matéria-prima rochosa seria completamente vaporizada. Também não pode explicar as órbitas elípticas que observamos em alguns exoplanetas porque a órbita de um protoplaneta, qualquer que seja sua forma inicial, rapidamente se tornará circular por meio de interações com o disco de material circundante e permanecerá assim à medida que o planeta cresce, varrendo matéria adicional.
Portanto, temos duas opções: ou encontramos um novo modelo para formar planetas próximos ao calor escaldante da estrela-mãe, ou encontramos uma maneira de mudar as órbitas dos planetas para que Júpiters frios possam viajar para dentro depois de se formarem. A maioria das pesquisas agora apóia a última explicação.
Os cálculos mostram que, se um planeta se formar enquanto uma quantidade substancial de gás permanece no disco, parte do momento angular orbital do planeta pode ser transferido para o disco. À medida que perde impulso (por meio de um processo que nos lembra os efeitos do atrito), o planeta entrará em espiral. Esse processo pode transportar planetas gigantes, inicialmente formados em regiões frias do disco, para mais perto da estrela central, produzindo assim Júpiters quentes. As interações gravitacionais entre planetas no caótico sistema solar primitivo também podem fazer com que os planetas se lançem para dentro a partir de grandes distâncias. Mas para que isso funcione, o outro planeta precisa levar embora o momento angular e se mover para uma órbita mais distante.
Em alguns casos, podemos usar a combinação de medidas de trânsito e Doppler para determinar se os planetas orbitam no mesmo plano e na mesma direção da estrela. Nos primeiros casos, as coisas pareciam funcionar exatamente como prevíamos: como o sistema solar, os planetas gigantes gasosos orbitavam no plano equatorial de sua estrela e na mesma direção da estrela giratória.
Então, algumas descobertas surpreendentes foram feitas de planetas gigantes gasosos que orbitavam em ângulos retos ou mesmo no sentido oposto ao da rotação da estrela. Como isso pôde acontecer? Novamente, deve ter havido interações entre planetas. É possível que antes do sistema se estabelecer, dois planetas tenham se aproximado, de modo que um tenha sido colocado em uma órbita incomum. Ou talvez uma estrela passageira tenha perturbado o sistema depois que os planetas foram recém-formados.
Formando sistemas planetários
Quando a Via Láctea era jovem, as estrelas que se formaram não continham muitos elementos pesados como o ferro. Várias gerações de formação estelar e morte estelar foram necessárias para enriquecer o meio interestelar para as gerações subsequentes de estrelas. Como os planetas parecem se formar “de dentro para fora”, começando com o acréscimo dos materiais que podem formar os núcleos rochosos com os quais os planetas começam, os astrônomos se perguntaram quando, na história da galáxia, a formação de planetas seria ativada.
A estrela Kepler-444 esclareceu essa questão. Este é um sistema compacto de cinco planetas — o menor comparável em tamanho a Mercúrio e o maior semelhante em tamanho a Vênus. Todos os cinco planetas foram detectados com a espaçonave Kepler enquanto transitavam por sua estrela-mãe. Todos os cinco planetas orbitam sua estrela hospedeira em menos do que o tempo necessário para Mercúrio completar uma órbita em torno do Sol. Surpreendentemente, a estrela hospedeira Kepler-444 tem mais de 11 bilhões de anos e se formou quando a Via Láctea tinha apenas 2 bilhões de anos. Portanto, os elementos mais pesados necessários para criar planetas rochosos já devem estar disponíveis na época. Este antigo sistema planetário define o relógio no início da formação de planetas rochosos para ocorrer relativamente logo após a formação de nossa galáxia.
Os dados do Kepler demonstram que, embora os planetas rochosos dentro da órbita de Mercúrio estejam ausentes do nosso sistema solar, eles são comuns em torno de outras estrelas, como Kepler-444. Quando os primeiros sistemas repletos de planetas rochosos próximos foram descobertos, nos perguntamos por que eles eram tão diferentes do nosso sistema solar. Quando muitos desses sistemas foram descobertos, começamos a nos perguntar se nosso sistema solar era diferente. Isso levou à especulação de que outros planetas rochosos poderiam ter existido perto do Sol em nosso sistema solar.
Há algumas evidências dos movimentos no sistema solar externo de que Júpiter pode ter migrado para dentro há muito tempo. Se correto, as perturbações gravitacionais de Júpiter poderiam ter desalojado as órbitas de planetas rochosos próximos, fazendo com que eles caíssem no Sol. Consistente com esta imagem, os astrônomos agora pensam que Urano e Netuno provavelmente não se formaram em suas distâncias atuais do Sol, mas sim mais perto de onde Júpiter e Saturno estão agora. A razão para essa ideia é que a densidade no disco de matéria ao redor do Sol na época em que os planetas se formaram era tão baixa fora da órbita de Saturno que seriam necessários vários bilhões de anos para construir Urano e Netuno. No entanto, vimos no início do capítulo que os discos em torno de protoestrelas sobrevivem apenas alguns milhões de anos.
Portanto, cientistas desenvolveram modelos computacionais demonstrando que Urano e Netuno poderiam ter se formado perto das localizações atuais de Júpiter e Saturno e, em seguida, ser expulsos para distâncias maiores por meio de interações gravitacionais com seus vizinhos. Todas essas novas observações maravilhosas ilustram o quão perigoso pode ser tirar conclusões sobre um fenômeno na ciência (neste caso, como os sistemas planetários se formam e se organizam) quando você está trabalhando apenas com um único exemplo.
Os exoplanetas deram origem a uma nova imagem da formação do sistema planetário — uma que é muito mais caótica do que pensávamos originalmente. Se pensarmos nos planetas como patinadores em uma pista, nosso modelo original (com apenas nosso próprio sistema solar como guia) supunha que os planetas se comportavam como patinadores educados, todos obedecendo às regras da pista e todos se movendo quase na mesma direção, seguindo caminhos aproximadamente circulares. A nova imagem corresponde mais a um roller derby, onde os patinadores se chocam, mudam de direção e, às vezes, são jogados totalmente para fora da pista.
Exoplanetas habitáveis
Embora milhares de exoplanetas tenham sido descobertos nas últimas duas décadas, todas as técnicas observacionais não conseguiram encontrar mais do que alguns candidatos que se assemelham à Terra (Figura\(\PageIndex{1}\)). Os astrônomos não sabem exatamente quais propriedades definiriam outra Terra. Precisamos encontrar um planeta que tenha exatamente o mesmo tamanho e massa da Terra? Isso pode ser difícil e pode não ser importante do ponto de vista da habitabilidade. Afinal, não temos motivos para pensar que a vida não poderia ter surgido na Terra se nosso planeta fosse um pouco menor ou maior. E lembre-se de que a habitabilidade de um planeta depende tanto de sua distância de sua estrela quanto da natureza de sua atmosfera. O efeito estufa pode tornar alguns planetas mais quentes (como aconteceu com Vênus e está fazendo cada vez mais pela Terra).
Podemos fazer outras perguntas para as quais ainda não sabemos as respostas. Esse “gêmeo” da Terra precisa orbitar uma estrela do tipo solar, ou podemos considerar como candidatos os numerosos exoplanetas que orbitam estrelas das classes K e M? (No verão de 2016, astrônomos relataram a descoberta de um planeta com pelo menos 1,3 vezes a massa da Terra em torno da estrela mais próxima, Proxima Centauri, que é do tipo M espectral e está localizada a 4,2 anos-luz de nós.) Temos um interesse especial em encontrar planetas que possam sustentar vida como a nossa. Nesse caso, precisamos encontrar exoplanetas dentro da zona habitável de sua estrela, onde as temperaturas da superfície sejam consistentes com a água líquida na superfície. Essa é provavelmente a característica mais importante que define um exoplaneta analógico da Terra.
A busca por mundos potencialmente habitáveis é um dos principais impulsionadores da pesquisa de exoplanetas na próxima década. Os astrônomos estão começando a desenvolver planos realistas para novos instrumentos que podem até mesmo procurar sinais de vida em mundos distantes (examinando suas atmosferas em busca de gases associados à vida, por exemplo). Se precisarmos de telescópios no espaço para encontrar esses mundos, precisamos reconhecer que são necessários anos para planejar, construir e lançar esses observatórios espaciais. A descoberta de exoplanetas e o conhecimento de que a maioria das estrelas tem sistemas planetários estão transformando nosso pensamento sobre a vida além da Terra. Estamos mais perto do que nunca de saber se planetas habitáveis (e habitados) são comuns. Este trabalho empresta um novo espírito de otimismo à busca por vida em outro lugar, um assunto ao qual retornaremos em Life in the Universe.
Confira a habitabilidade de várias estrelas e planetas experimentando o simulador interativo de zonas habitáveis circunstelares e selecione um sistema estelar para investigar.
Resumo
O conjunto de exoplanetas é incrivelmente diverso e levou a uma revisão em nossa compreensão da formação de planetas que inclui a possibilidade de interações vigorosas e caóticas, com a migração e dispersão do planeta. É possível que o sistema solar seja incomum (e não representativo) na forma como seus planetas estão dispostos. Muitos sistemas parecem ter planetas rochosos mais para dentro do que nós, por exemplo, e alguns até têm “Júpiters quentes” muito próximos de sua estrela. Experimentos espaciais ambiciosos devem possibilitar a imagem de planetas semelhantes à Terra fora do sistema solar e até mesmo obter informações sobre sua habitabilidade enquanto buscamos vida em outros lugares.