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O mistério da expansão da órbita de Titã

Descoberta surpreendente no Sistema Solar exterior pode mudar ideias sobre luas que orbitam os planetas gigantes

Titã, em frente a Saturno. Crédito: Nasa, JPL, Caltech.

Aos  olhos de algum viajante do tempo onipotente, nosso Sistema Solar, assim como qualquer sistema planetário, surge  como uma entidade  pulsante. Ao longo de bilhões de anos, seus elementos se movimentam e fluem. As órbitas planetárias alteram seu formato e sua orientação, e bilhões de pedaços de asteroides antigos voam pelo disco esquelético que define a arquitetura principal de tudo que cerca o Sol, uma estrela que perde massa e energia conforme mantém sua atividade termonuclear.

Mas, em geral, assume-se que alguns elementos são estáveis e inalterados. Espera-se, por exemplo, que a maior lua de Saturno, Titã, continue numa órbita com pouca alteração  durante bilhões de anos, desde que ela se formou. Agora, um estudo publicado na revista Nature Astronomy, escrito por  Lainey e de seus colaboradores, utilizou dados coletados pela sonda  Cassini (que orbitou Saturno de 2004 a 2017) para determinar que a órbita de Titã se expande incríveis 11 centímetros por ano.

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A solução que os autores propuseram para esse mistério se baseia em um fenômeno intrínseco mas poderoso que, se estiverem corretos, poderia nos ajudar no entendimento da história mais ampla por trás das luas ao redor de planetas gigantes. Para compreender essa ideia, temos que dar um passo para trás e olhar para as complexas alterações ao redor de nosso Sistema Solar que são causadas devido a dissipações das forças de  maré gravitacionais — onde a energia do movimento é transferida de uma forma quase mágica na deformação e no esmagamento  de materiais brutos que vão da rocha ao ferro, da água ao gás.

A própria Terra e sua Lua realizam esse processo há quatro bilhões de anos. A gravidade da Lua puxa a Terra em rotação, distorcendo sua forma. Mas a própria Lua também experimenta um puxão, que faz com que ela se afasta da Terra em média 4 centímetros por ano. E a velocidade da duração do dia da Terra diminui  aproximadamente  23 microssegundos por ano.

Mas essas taxas de alterações estão intimamente conectadas à estrutura da Terra: a localização de seus continentes, as profundidades e os fluxos de seus oceanos e a composição material de suas camadas rochosas. É algo estranho, mas se tudo que você soubesse da Terra e da Lua fosse a evolução de suas órbitas ao longo das eras, seria possível fazer descobertas  sobre a estrutura  fundamental da Terra.

No Sistema Solar exterior, o ambiente para os satélites naturais fica ainda mais complicado e interessante. Lá, as famílias de luas que estão ao redor de planetas como Júpiter e Saturno sentem tanto  as forças de maré causadas pela interação gravitacional com seus planetas hospedeiros quanto o persistente puxão gravitacional exercido pela demais  luas irmãs. Mas, de maneira geral, nós temos considerado que  é muito difícil que as luas exerçam forças de maré sobre os planetas gigantes que sejam relevantes, especialmente nos casos em que a distância é considerável, como ocorre com Titã.

A expansão  de 11 centímetros por ano na órbita de Titã indica que Saturno deve estar “respondendo” à atração gravitacional de Titã muito, muito mais do que esperávamos. Mais especificamente, a medida crítica de quanta energia está sendo dissipada pelas marés de Titã-Saturno é mais de 100 vezes maior do que a teoria padrão previa (e possivelmente até mil ou 10 mil  vezes maior).

Então, o que está acontecendo? A resposta pode ser um fenômeno vagamente descrito como uma teoria da rotações sincronizadas ressonantes. Em essência, se a estrutura do planeta receber o puxão gravitacional da lua numa determinada frequência ideal, correria  uma espécie de ressonância sobre a densa camada de gás que envolve o planeta. Isso tornaria mais intensa a interação entre o planeta e a lua que está exercendo o puxão.  E como a estrutura interna de um gigante gasoso evolui durante bilhões de anos (por fatores como contração gravitacional e chuva de hélio) essas ressonâncias se alteram com o tempo, às vezes se “trancando” em períodos orbitais de luas diferentes, levando a alterações inesperadamente rápidas em suas órbitas.

Lainey, por exemplo, também acompanha estudos mais antigos de outras luas grandes ao redor de Saturno, como Encélado  e Dione, e descobriu que, também no caso delas, a taxa de alteração nas órbitas pode ser bem explicada pelo conceito de  rotação sincronizada.  O resultado mostrou que todas as grandes luas de Saturno provavelmente quando se originaram possuíam uma órbita  muito mais compacta, e todas foram aos poucos se distanciando  durante os últimos 4,5 bilhões de anos devido a esse efeito.  Isso inclui Titã, que, segundo a teoria clássica de equilíbrio de maré, não deveria ter se movido de sua órbita original. Ao invés disso, essa lua deve ter se distanciado  de sua órbita original que devia ser três a quatro vezes menor.

Esse é  um lembrete fantástico de que a natureza é mais rica do que suspeitávamos a princípio. Esse resultado também sugere  que efeitos similares possam ocorrendo nas interações entre Júpiter e suas luas maiores, o que pode nos ajudar a entender melhor como essas luas se formaram e o que podemos aprender sobre a estrutura  interna dos planetas gigantes gasosos em geral. Além disso, essa descoberta possui implicações para populações de exoluas, de estrelas binárias e mesmo de casos onde planetas com órbitas próximas estejam gerando efeitos de maré suas estrelas hospedeiras.

Caleb A. Scharf

Publicado em 31/07/2020