CIENTISTAS ENCONTRAM EVIDÊNCIAS TEÓRICAS DE UM NONO PLANETA
22 de janeiro de 2016
Esta impressão de artista mostra o distante Planeta Nove. Pensa-se que o planeta seja gasoso, parecido com Úrano e Neptuno. Relâmpagos hipotéticos iluminam o lado noturno.
Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC)
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Investigadores do Caltech encontraram evidências teóricas da existência de um planeta gigante traçando uma órbita bizarra e altamente alongada no Sistema Solar exterior. O objeto, que os cientistas apelidaram de Planeta Nove, tem cerca de 10 vezes a massa da Terra e orbita 20 vezes mais longe do Sol, em média, do que Neptuno (que orbita o Sol a uma distância média de 4,5 mil milhões de quilómetros). De facto, este novo planeta levaria entre 10.000 e 20.000 anos a completar uma órbita completa em torno do Sol.
Os investigadores, Konstantin Batygin e Mike Brown, tiraram a conclusão da possibilidade do planeta através de modelos matemáticos e simulações computacionais, mas ainda não observaram o objeto diretamente.
"Este seria um verdadeiro nono planeta," afirma Brown, professor de astronomia planetária. "Houve somente dois planetas verdadeiramente descobertos desde a Antiguidade. Este poderá ser o terceiro. É um pedaço muito substancial do nosso Sistema Solar que ainda está por ser desvendado, o que é muito emocionante."
Brown comenta que o suposto nono planeta - com 5000 vezes a massa de Plutão - é suficientemente grande para que não haja nenhum debate sobre se é mesmo considerado planeta. Ao contrário da classe de objetos mais pequenos agora conhecidos como planetas anões, o Planeta Nove domina gravitacionalmente a sua vizinhança do Sistema Solar. Na verdade, domina uma região maior do que qualquer outra dos planetas conhecidos - um facto que Brown, diz, o torna o "mais 'planeta' de todos os planetas do Sistema Solar".
Batygin e Brown descrevem o seu trabalho na edição atual da revista The Astronomical Journal e mostram como o Planeta Nove ajuda a explicar um número de características misteriosas no campo de objetos gelados e detritos para lá de Neptuno conhecido como Cintura de Kuiper.
"Embora nós estivéssemos inicialmente bastante céticos de que este planeta pudesse existir, à medida que investigávamos a sua órbita e o que significaria para o Sistema Solar exterior, tornámo-nos cada vez mais convencidos de que ele está lá fora," afirma Batygin, professor assistente de ciência planetária. "Pela primeira vez em mais de 150 anos, existem evidências sólidas de que o censo planetário do Sistema Solar está incompleto."
O caminho para a descoberta teórica não foi simples. Em 2014, um ex-pós-doutorado de Brown, Chad Trujillo, e o seu colega Scott Shepard, publicaram um artigo constatando que 13 dos mais distantes objetos na Cintura de Kuiper são semelhantes no que toca a uma característica orbital obscura. Para explicar essa semelhança, sugeriram a possível presença de um planeta pequeno. Brown pensou que a solução planetária era improvável, mas mesmo assim, despertou o seu interesse.
Ele levou o problema até Batygin e os dois começaram o que se tornou numa colaboração de ano e meio para investigar estes objetos distantes. Como observador e teórico, respetivamente, os cientistas trabalharam sob perspetivas muito diferentes - Brown, que olha para o céu e tenta ancorar tudo no contexto do que pode ser visto e Batygin, como alguém que se coloca dentro do contexto da dinâmica e considera como as coisas podem funcionar a partir de um ponto de vista da física. Essas diferenças permitiram com que os investigadores desafiassem as suas ideias e considerassem novas possibilidades. "Eu colocava na mesa alguns aspetos observacionais; ele, alguns argumentos da teoria, e desafiávamo-nos um ao outro. Eu não acho que a descoberta teria acontecido sem este 'vai e vem," comenta Brown. "Foi talvez o ano mais divertido que passei a trabalhar num problema do Sistema Solar."
Batygin e Brown rapidamente perceberam que os seis objetos mais distantes da coleção original de Trujillo e Shepard seguiam, todos, órbitas elípticas que apontavam na mesma direção do espaço físico. Isto é particularmente surpreendente porque os pontos mais extremos das suas órbitas não partilham esta característica (movem-se pelo Sistema Solar) e viajam em velocidades diferentes.
"É quase como ter seis mãos num relógio movendo-se a velocidades diferentes, e quando olhamos para lá por acaso, estão exatamente no mesmo lugar," afirma Brown. A probabilidade de isso acontecer é algo como 1 em 100, diz. Mas, além disso, as órbitas dos seis objetos estão também inclinadas na mesma direção - apontando cerca de 30 graus para baixo na mesma direção em relação ao plano dos oito planetas conhecidos. A probabilidade de isso acontecer é de cerca de 0,007%. "Basicamente, não deveria acontecer de forma aleatória," afirma Brown. "Por isso, pensámos que algo deve estar a moldar estas órbitas."
A primeira possibilidade que investigaram era que talvez existissem suficientes objetos distantes da Cintura de Kuiper - os quais ainda não foram descobertos - para exercer a gravidade necessária para manter esta subpopulação agrupada. Os investigadores rapidamente descartaram este cenário porque exigia que a Cintura de Kuiper tivesse cerca de 100 vezes a massa que tem hoje.
Isso deixou-os com a ideia de um planeta. O seu primeiro instinto foi correr simulações que envolvessem um planeta numa órbita distante que rodeasse as órbitas dos seis objetos da Cintura de Kuiper, agindo como um laço gigante para os forçar neste alinhamento. Batygin diz que isto quase que funciona, mas não fornece, com precisão, as excentricidades observadas. "Perto, mas não," comenta.
Então, efetivamente por acidente, Batygin e Brown perceberam que, se corressem as suas simulações com um planeta massivo numa órbita anti-alinhada - uma órbita na qual a maior aproximação do planeta ao Sol, ou periélio, é de 180 graus em relação ao periélio de todos os outros objetos e planetas conhecidos - os distantes objetos da Cintura de Kuiper na simulação assumiam o alinhamento observado na realidade.
"A resposta natural é 'Esta geometria orbital não pode estar correta. Isto não pode ser estável a longo termo porque, afinal de contas, faria com que o planeta e estes objetos se encontrassem e, eventualmente, colidissem,'" explica Batygin. Mas através de um mecanismo conhecido como ressonância orbital, a órbita anti-alinhada do nono planeta, na verdade, impede com que os objetos da Cintura de Kuiper colidam com ele e mantém-nos alinhados. À medida que os objetos orbitantes se aproximam uns dos outros, trocam energia. Por isso, por exemplo, para cada quatro órbitas que o Planeta Nove completa, um objeto distante da Cintura de Kuiper pode completar nove órbitas. Eles nunca colidem. Em vez disso, como um pai que mantém o movimento de uma criança num baloiço graças a empurrões periódicos, o Planeta Nove empurra as órbitas dos distantes objetos da Cintura de Kuiper de tal forma que a sua configuração, em relação ao planeta, é preservada.
"Ainda assim, estava muito cético," afirma Batygin. "Nunca tinha visto nada como isto na mecânica celeste."
Mas, pouco a pouco, à medida que os cientistas investigavam características e consequências adicionais do modelo, ficaram convencidos. "Uma boa teoria não deve só explicar as coisas que nos propomos explicar. Deve, também, explicar coisas que não nos propusemos explicar e fazer previsões que são testáveis," acrescenta Batygin.
E, de facto, a existência do Planeta Nove explica mais do que apenas o alinhamento dos distantes objetos da Cintura de Kuiper. Também fornece uma explicação para as órbitas misteriosas que dois deles traçam. O primeiro desses objetos, denominado Sedna, foi descoberto por Brown em 2003. Ao contrário do padrão de variedade para os objetos da Cintura de Kuiper, que são "expulsos" por Neptuno e, em seguida, retornam, Sedna nunca fica muito perto de Neptuno. Um segundo objeto parecido com Sedna, conhecido como 2012 VP113, foi anunciado por Trujillo e Shepard em 2014. Batygin e Brown descobriram que a presença do Planeta Nove, na sua órbita proposta, produz naturalmente objetos semelhantes a Sedna, tomando um objeto normal da Cintura de Kuiper e, lentamente, puxando-o para uma órbita menos ligada a Neptuno.
Mas a grande reviravolta para os cientistas foi o facto das suas simulações também previrem a existência de objetos na Cintura de Kuiper em órbitas inclinadas perpendicularmente ao plano dos planetas. Batygin continuava a encontrar evidências nas suas simulações e levou-as a Brown. "De repente, percebi que realmente existem objetos deste género," comenta Brown. Ao longo dos últimos três anos, observadores identificaram quatro objetos que traçam órbitas mais ou menos perpendiculares à de Neptuno e outro objeto noutra. "Inserimos as posições e as órbitas desses objetos e combinaram perfeitamente com as simulações," exclama Brown. "Quando descobrimos isto, o meu queixo bateu no chão."
"Quando a simulação alinhou os distantes objetos da Cintura de Kuiper e criou objetos como Sedna, pensámos que era impressionante - matámos dois coelhos com uma cajadada," comenta Batygin. "Mas com a existência do planeta também a explicar estas órbitas perpendiculares, não só matámos dois coelhos, como um terceiro que nem nos apercebemos que aí estava."
De onde é que o Planeta Nove vem, e como veio parar ao Sistema Solar exterior? Os cientistas há muito que pensam que o Sistema Solar jovem começou com quatro núcleos planetários que agarraram todo o gás em seu redor, formando os quatro gigantes gasosos - Júpiter, Saturno, Úrano e Neptuno. Ao longo do tempo, as colisões e ejeções moldaram-nos e moveram-nos para as suas posições atuais. "Mas não há nenhuma razão para que não pudessem ter existido cinco núcleos, em vez de quatro," afirma Brown. O Planeta Nove pode representar esse quinto núcleo e, caso tenha passado demasiado perto de Júpiter ou Saturno, pode ter sido expelido para esta órbita distante e excêntrica.
Batygin e Brown continuam a aperfeiçoar as suas simulações e a aprender mais sobre a órbita do planeta e sua influência sobre o Sistema Solar distante. Entretanto, Brown e outros colegas começaram a pesquisar os céus em busca do Planeta Nove. Só se conhece a órbita aproximada do planeta, não a posição exata do planeta ao longo do seu percurso elíptico. Caso o planeta esteja perto do seu periélio, explica Brown, os astrónomos devem ser capazes de o avistar em imagens captadas por pesquisas anteriores. Caso o planeta esteja na parte mais distante da sua órbita, então serão necessários os maiores telescópios do mundo - como os telescópios gémeos de 10 metros do Observatório Keck e o Telescópio Subaru, situados em Mauna Kea, Hawaii. Caso o Planeta Nove esteja algures no meio, muitos telescópios têm hipóteses de encontrá-lo.
"Eu adorava encontrá-lo," afirma Brown. "Mas também ficaria perfeitamente feliz se fosse outra pessoa a fazê-lo. É por isso que publicámos este artigo. Nós queremos que inspire as pessoas e que comecem à procura."
Em termos de compreender mais sobre o contexto do Sistema Solar no resto do Universo, Batygin diz que este nono planeta, de várias maneiras, parece-nos tão estranho que tornaria o nosso Sistema Solar mais parecido com outros que os astrónomos estão encontrando em torno de outras estrelas. Primeiro, a maioria dos planetas em torno de outras estrelas parecidas com o Sol não têm uma gama orbital - isto é, alguns orbitam extremamente perto das suas estrelas hospedeiras, enquanto outros seguem órbitas excecionalmente distantes. Em segundo lugar, os planetas mais comuns em torno de outras estrelas variam entre 1 e 10 massas terrestres.
"Uma das descobertas mais surpreendentes sobre os outros sistemas planetários é que o tipo mais comum de planeta lá fora tem uma massa entre a da Terra e a de Neptuno," explica Batygin. "Até agora, pensávamos que o Sistema Solar não continha este tipo mais comum de planeta. Agora, talvez sejamos mais 'normais' do que pensávamos."
Brown, bem conhecido pelo papel importante que desempenhou na despromoção de Plutão, de planeta para planeta anão, acrescenta: "Todas aquelas pessoas irritadas por Plutão já não ser considerado planeta podem agora ficar muito contentes ao saber que existe um verdadeiro planeta ainda por encontrar. Agora podemos ir avistá-lo e fazer com que o Sistema Solar tenha nove planetas novamente."
Os seis mais distantes objetos no Sistema Solar com órbitas exclusivamente para lá de Neptuno (magenta), alinham-se misteriosamente numa única direção. Também, quando vistos a três dimensões, estão todos quase identicamente inclinados para longe do plano do Sistema Solar. Batygin e Brown mostram que é necessário um planeta com dez vezes a massa da Terra numa órbita distante, excêntrica e anti-alinhada com os outros seis objetos (laranja) para manter esta configuração.
Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC) [diagrama criado usando o Worldwide Telescope]
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Uma consequência prevista do Planeta Nove é a existência de um segundo conjunto de objetos confinados. Estes objetos são forçados para posições em ângulo reto em relação ao Planeta Nove e em órbitas perpendiculares ao plano do Sistema Solar. Conhecem-se cinco objetos (azul) que coincidem precisamente a esta previsão.
Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC) [Diagrama criado usando o WorldWide Telescope]
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