Aula 2 de Astronomia: O Sistema Solar - Parte 2

Para entender como o Sistema Solar surgiu, precisamos compreender os princípios físicos que regem todo o Universo. As mesmas leis da física também controlam o mundo que habitamos, de modo que para descobrir como o sistema solar começou, não precisamos olhar para o espaço exterior ou voltar no tempo. Só precisamos olhar à nossa volta. 
Uma das coisas notáveis sobre as leis da natureza é que elas são universais, o que significa que, as mesmas leis que descrevem a formação do sistema solar, também descrevem eventos aqui na Terra, como o movimento da água no esgoto.

Movimento circular da água descendo para o esgoto

O movimento circular que a água realiza em uma pia quando desce para o esgoto é visto em todo o Universo. As vemos em toda parte porque as leis da física são as mesmas em toda parte. Um dos fenômenos mais destrutivos de nosso planeta são os tornados. Todos os anos, centenas deles rasgam a paisagem e sua característica principal é a sua espiral giratória. 

Tornados apresentam ventos destrutivos e poderosos em uma gigantesca espiral giratória

Abaixo, você pode assistir a um vídeo de nove minutos sobre tornados:



Por mais estranho que possa parecer, os processos que impulsionam estes sistemas de grandes tempestades são os mesmos vistos cinco bilhões de anos atrás, no início do Sistema Solar. Vejam na sequência abaixo, como provavelmente, tudo começou:

É uma característica de todas as coisas que giram que, se elas se contraem, tendem também a girar mais rápido. É um princípio universal chamado de Conservação do Momento Angular. É isso que guia essas espirais giratórias, e isso se aplica igualmente ao início do sistema solar e é o mesmo que acontece em tempestades que formam os tornados.

Nuvens do tipo Cúmulus-Nimbos

Com as gigantes cúmulo-nimbos formadas, elas sugam o ar quente e se contraem, é como a nuvem que construiu o sistema solar, quando se contraem, giram mais rápido. Na Terra em tempestades, Conservação do Momento Angular significa no caso mais extremo, tornados. Você vê colunas de ar girando muito rapidamente, onde a velocidade do vento chega a 300, 400, e até 500 quilômetros por hora. É semelhante ao processo que ocorreu no início da formação do sistema solar, Quando uma nuvem de poeira em colapso tinha, por algum motivo, pouca rotação, e como toda nuvem de poeira contraída, a rotação tende a acelerar e acelerar. Em um tornado temos ventos muito velozes.

O incrível poder de rotação dos tornados tem efeitos extremamente destrutivos, mas é este mesmo fenômeno que é responsável por criar a estabilidade do sistema solar, porque foi a Conservação do Momento Angular que parou completamente o colapso, no início do sistema solar. Enquanto a gravidade força a nebulosa a se contrair, sua rotação conservada deu origem a uma força que equilibrou a força da gravidade e permitiu a formação de um disco estável. Quando o Sol se inflamou, iluminou esse disco giratório. Veja a sequência abaixo:

Sequência de ilustrações mostrando o Sol se iluminando e a estabilização da nuvem que originou o Sistema Solar graças à Conservação do Momento Angular que parou completamente o colapso e permitiu que se formassem os planetas.

Dentro do disco, os planetas se formaram, todos orbitando o Sol, em seus regulares padrões de relógio. Em apenas algumas centenas de milhões de anos, a nuvem entrou em colapso para formar um sistema de estrelas, nosso sistema solar, o Sol rodeado por planetas.
Não há lugar melhor para ver os resultados dessa jornada do que, na minha opinião, é uma das maravilhas do sistema solar. Lá, os processos que formaram o sistema solar ainda estão em ação hoje. Um lugar de rara beleza e complexidade e que tem encantado os astrônomos há séculos: O planeta Saturno.

Saturno e seus anéis

Este é o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA. Ele é o centro de controle da única nave espacial em órbita de Saturno. A Cassini.

Nave espacial Cassini em órbita de Saturno. Sua missão de 4 anos já foi estendida duas vezes

A Cassini foi Iançada em 1997. É a maior e mais complexa nave espacial já enviada ao exterior do sistema solar. Sua finalidade é estudar Saturno e seus anéis e, desde 2004, tem nos enviado muitas imagens surpreendentes. Elas revelam que os anéis são incrivelmente complexos, composto por milhares e milhares de anéis individuais e fissuras. Todo o sistema é rodeado por uma rede de luas. Parte da missão da Cassini é descobrir como os anéis se formaram e como toda essa incrível estrutura foi criada. Esta é a melhor forma de entender como se formou o Sistema Solar. É como se Saturno representasse um sistema solar em miniatura. As luas são o equivalente dos planetas e Saturno é o equivalente do Sol.

Parte dos anéis de Saturno fotografados pela sonda Cassini

Nos anéis, os processos físicos que ali ocorrem e sua interação com as pequenas luas, são semelhantes ao início do sistema solar depois dos planetas formados, e há ainda um anel ou detritos que sobraram da formação dos planetas. Então, se olharmos para o sistema solar há 4,5 bilhões de anos, o Sol no centro, veremos um disco de poeira semelhante ao sistema de anéis de Saturno.
Com os dados da Cassini, podemos recriar os anéis de Saturno em detalhes. Todos os anéis estão em movimento na órbita de Saturno a velocidades imensas. Como os planetas que orbitam o Sol, os anéis de Saturno mais próximos são os mais rápidos, viajando a mais de 80.000 quilômetros por hora. E enquanto os anéis parecem sólidos, Iançando sombras sobre o planeta, também são extremamente delicados. O disco principal dos anéis tem em torno de 100.000 quilômetros de diâmetro, mas com pouco mais de três metros de espessura. 

Apesar de extenso (100.000 km), os anéis apresentam apenas três metros de espessura aproximadamente.

Ao estudar a origem e evolução dos anéis de Saturno, ganhamos entendimentos valiosos  sobre as origens e a evolução do sistema solar. A estrutura dos anéis é muito semelhante à maneira como um iceberg flutua, porque, apesar das aparências, os anéis não são sólidos. Cada anel é composto por centenas de pequenos anéis e cada anelzinho é composto de bilhões de peças separadas. Preso dentro do alcance da gravidade de Saturno, o anel de partículas orbita independentemente ao redor do planeta, numa camada incrivelmente fina. Mas a semelhança não acaba no layout. Encontra-se também no material de que os anéis e os icebergs são feitos, e isso explica por que os anéis são tão brilhantes. São feitos de um belo gelo de água pura, brilhando ao Sol, bilhões destas peças, a um bilhão de quilômetros da Terra.

Os anéis são formados por bilhões de pedras de gelo de tamanhos que variam de um mícron a mais de um quilômetro de diâmetro.

A maioria das peças são menores que um centímetro. Muitos são cristais de tamanho mícron, outros são tão grandes como um iceberg. Alguns são tão grandes como casas. Alguns podem ter mais de um quilômetro de diâmetro. Bilhões de pedaços de gelo brilhando captam a luz do sol. E a razão pela qual os anéis brilham tão intensamente é que, como os icebergs, os anéis estão mudando constantemente. Como o anel de partículas que orbita Saturno estão constantemente batendo uns nos outros e se reunindo em grupos gigantes, estão indefinidamente se formando e se quebrando. Quando colidem, as partículas quebram expondo novas faces brilhantes de gelo, que captam a luz solar. É por causa dessa reciclagem constante que os anéis são capazes de ficar tão brilhantes quanto na época em que foram formados. É por isso que são limpos e que refletem a luz solar e podemos vê-los da Terra. Parecido com uma cidade, na qual as pessoas vêm e vão, edifícios são demolidos e reconstruídos, mas a cidade permanece sempre a mesma, assim ocorre com os anéis de Saturno. São diferentes hoje do que eram há mil anos atrás. Serão diferentes em uma centena ou em milhares de anos, mas sua estrutura, beleza e a magnificência sempre permanecerão. Os anéis de Saturno são magníficos não somente por sua beleza, mas também porque ao olhar para os anéis, podemos começar a compreender nossa própria origem. E a chave para compreender os anéis pode ser encontrada orbitando em torno deles.
É fácil compreender como Saturno é como um mini Sistema Solar, com luas orbitando como planetas em torno do Sol. Da Terra, só podemos ver algumas das grandes lua, mas no total, Saturno tem mais de 60 luas, e visto de perto, eles formam um grupo estranho e maravilhoso.

As cinco principais luas de Saturno

Dione é uma típica lua gelada de Saturno. É parecida com a nossa lua, mas sua composição é muito diferente. Compõe-se de dois terços de água, mas a temperatura da superfície é menos 190 graus Celsius. Nessa temperatura, o solo se comporta como uma rocha sólida.

Dione

lapetus é conhecido como  o "yin e o yang" da lua, metade gelo limpo, a outra revestida de preto, os depósitos empoeirados.

Iapetus

A lua gigante, Titã, é maior que o planeta Mercúrio. Mas a única coisa sobre Titan é sua atmosfera, que é quatro vezes mais densa que a da Terra. É rica em moléculas orgânicas e achamos que a química é muito semelhante à da Terra primordial, antes da vida começar.

Titã

E Hyperion é uma lua diferente de qualquer outra. Não é arredondada e sua superfície perfurada tem a textura de uma esponja. E uma teoria para isso é que seria, realmente, um cometa capturado pela gravidade de Saturno, vindo de distantes rincões do sistema solar.

Hyperion 

Mas as luas de Saturno não são apenas um show celestial de excentricidade. São a força motriz por trás da beleza e da estrutura dos anéis. A mais notável delas está escondida em um dos anéis exteriores. Entranhada no coração do anel-E, é uma lua que está rapidamente se tornando um dos lugares mais fascinantes do sistema solar - Encélado.

Encélado

Encélado vem sendo uma curiosidade astronômica porque é o objeto mais reflexivo do sistema solar. Porém sabemos pouco sobre ela, porque Encélado é pequena, apenas 400 KM de diâmetro e mais de um bilhão de quilômetros de distância. Só agora, que temos essas imagens incríveis da Cassini, podemos ver quão estranho ela é.

Seu hemisfério norte, cheio de crateras, se parece com qualquer outra lua gelada, mas o hemisfério sul tem uma história muito diferente.  É quase completamente livre de crateras, o que significa que sua superfície é,  provavelmente, recém-formada. É marcada por cânions e dilacerada por rachaduras. Parece semelhante à geologia da Terra, mas esculpida em gelo, em vez de rocha. E a noroeste do Pólo Sul estão as listras de tigre, 4 valas paralelas, 130 KM de extensão e centenas de metros de profundidade. São parecidas com falhas tectônicas. Isto é com o que se parecem falhas tectônicas na Terra.

Listas de Tigre

A próxima pista de que algo estava acontecendo sob a superfície veio quando Cassini voou sobre o pólo sul. Leituras térmicas mostraram pontos quentes nas Listras de Tigre. Por alguma razão, as listras eram muito mais quentes que o restante da lua. Cassini descobriu o impensável. Descobriu que essa extremidade sul de Encélado é excessivamente quente. Há mais calor saindo da calota polar sul de Encélado do que está saindo das regiões equatoriais. É como dizer que há mais calor que sai da Antártica do que do Equador da Terra.

Erupção de Gelo em Encélado

Então, um dia, em Novembro de 2005, Cassini fotografou Encélado na hora em que o Sol estava se pondo por trás dela. Foi feita uma das maiores descobertas de todos os tempos no sistema solar. As imagens em segundo plano revelam fontes de erupção gigantes no Pólo Sul, vulcões expulsando gelo, ao invés de rocha. E essas imagens correram o Mundo.
As fontes de gelo fluindo milhares de quilômetros no espaço significa que há algo muito interessante acontecendo sob a superfície. É aqui que achamos o fenômeno terrestre mais parecido com as fontes de gelo: os gêiseres. Eles se formam quando bolsas subterrâneas de água fervem e de repente explodem no ar. Gêiseres na Terra requerem três coisas. Precisam de uma boa fonte de água, exigem uma fonte de calor intenso, logo abaixo da superfície e precisam do encanamento geológico correto.

Geisers ocorrem em vários locais da Terra onde exista uma fonte de água aquecida

Portanto, se os gêiseres de Encélado são semelhantes, então existe a possibilidade de ter um oceano de água líquida sob sua superfície e levanta-se uma questão interessante, porque, se Encélado é demasiado pequena para ter fonte significativa de calor em seu núcleo, de onde vem o calor?
Na Terra, os gêiseres são impulsionados pelas altas temperaturas no interior do planeta, quente o suficiente para derreter rochas e ativar vulcões. Mas Encélado é tão pequena que seu núcleo deve ser congelado. Encélado deve estar recebendo o seu calor a partir de outro lugar, e, acredita-se que poderia vir de sua órbita peculiar ao redor de Saturno. Então a próxima coisa a investigar é se haveria ou não, o que chamamos de forças de maré, em Encélado. É o que acontece porque sua órbita é excêntrica. Significa que é elíptica, não circular, e uma vez que circunda Saturno em sua órbita, fica perto de Saturno e, em seguida, longe, perto e longe, e mudanças na tração gravitacional como essas movem-se para sua órbita e significa flexão do corpo. E, se há flexão, significa que está sofrendo atrito dentro dele. É um processo importante para conversão de energia em calor em Encélado.

Ilustração de como seria um geiser em Encélado

Quando Encélado orbita, a gravidade de Saturno distorce a forma da lua. Pensa-se que isso aqueça o interior da lua apenas o suficiente para dissolver um pequeno oceano subterrâneo de água. Como ela contata o vácuo do espaço, essa água vaporiza e explode para fora da lua criando esta maravilha do sistema solar. Em Encélado, imaginamos que as colunas de água sofrem erupção constantemente. Para elas, o céu é o limite. Rompendo a superfície a 1.300 km por hora, avançam no espaço durante milhares de quilômetros. Elas devem ser uma das vistas mais impressionantes do sistema solar.  Qualquer água em estado líquido congela rapidamente em pequenos cristais de  gelo. Alguns deles caem sobre a superfície, dando à lua seu brilho reflexivo gelado. Mas o resto segue o caminho em volta de Saturno. As fontes de gelo estão criando um dos anéis de Saturno. Todo o anel-E é composto de pedaços de Encélado. Mas Encélado não é a única lua que forma os anéis. Outras luas de Saturno também cumprem papel crucial na criação desses lindos padrões e o fazem de maneiras misteriosas.

Distorção do Anel-F pelo efeito gravitacional de duas luas de Saturno: Prometeu e Pandora

No sistema de Saturno, a ordem a beleza e a complexidade dos anéis é dirigida pela força da gravidade. Quando as luas orbitam Saturno, sua gravidade gera influência nos anéis. Nestas imagens incríveis, podemos ver como realmente as luas funcionam. Podemos ver a gravidade em ação. Quando as luas passam perto dos anéis, sua atração gravitacional puxa as partículas do anel em direção a elas, distorcendo a forma dos anéis. O anel-F, um dos anéis exteriores, é torcido em forma de espiral por duas luas, Prometeu e Pandora. Esses efeitos gravitacionais próximos influenciam muitos dos padrões dos anéis.
Mas, às vezes, as luas podem exercer sua força por distâncias muito maiores, e, o modo como fazem, revela a sutileza com que a gravidade pode trabalhar. Quando olhamos para os anéis, notamos uma lacuna chamada de divisão Cassini.

Imagens dos anéis de Saturno, mostrando a Divisão Cassini

Então, o que poderia ter causado isso? Bem, tudo se resume a uma das luas de Saturno, chamada Mimas, que orbita bem longe, fora do sistema de anéis. E como algo que está tão longe dos anéis poderia ter qualquer influência sobre as partículas no interior dos anéis? Bem, tudo se resume a um fenômeno chamado Ressonância Orbital. As partículas na divisão Cassini tem uma relação interessante com a lua Mimas porque elas orbitam em torno de Saturno duas vezes para cada órbita simples de Mimas, e isso tem uma conseqüência interessante. Imagine que exista uma partícula dentro da divisão Cassini. Então, a cada dois anos esta partícula se encontra com Mimas. Se encontram no mesmo lugar no espaço e esta partícula sofrerá um empurrão ou um puxão da gravidade de Mimas regularmente a cada dois anos, e altera a órbita de qualquer coisa que está na divisão Cassini, e tem o efeito de jogar fora, de abrir uma fenda nos anéis.
De fato, grande parte da estrutura complexa dos anéis de Saturno se deve a essas ressonâncias orbitais, não só com Mimas, mas com uma ou mais das 61 luas conhecidas de Saturno que orbitam por fora e, certamente, algumas dentro dos anéis. Compreender como as luas de Saturno formam os anéis pode lançar luz sobre os acontecimentos que moldaram o Sistema Solar, eventos que ajudaram a criar o mundo em que vivemos.
A ressonância pode ser muito mais do que um escultor delicado porque não são apenas pequenas luas que podem entrar em Ressonância Orbital. Há bilhões de anos os dois gigantes do sistema solar, Júpiter e Saturno, entraram em ressonância e as forças resultantes moveram planetas inteiros, e fez do sistema solar, um lugar incrivelmente turbulento e violento.

Júpiter - O Gigante do Sistema Solar

O sistema solar está cheio de crateras, devido a diversos impactos cataclísmicos Mas houve um período há 3,6 bilhões anos em que todo o sistema solar foi virado do avesso pelas mesmas forças de Ressonância Orbital que geraram os anéis de Saturno.
Os planetas gigantes se formaram mais próximos do Sol do que estão hoje. Suas órbitas vagaram por centenas de milhões de anos até Júpiter e Saturno iniciarem um padrão de ressonância. Uma vez a cada ciclo os dois planetas se alinharam exatamente no  mesmo ponto, criando uma onda gravitacional que interferiu nas órbitas de todos os planetas. Netuno foi catapultado para o espaço exterior e bateu no anel de cometas que circula o sistema solar, com consequências dramáticas. Por centenas de milhões de anos, o sistema solar se transformou em uma galeria de tiro, sendo atravessado por uma chuva de cometas. Milhares de cometas se espalharam em todas as direções, atingindo os planetas. É conhecido como o Último Grande Bombardeio.

O Último Grande Bombardeio

Criou muitas das crateras que vemos em todo o sistema solar hoje. Deixou cicatrizes por toda a nossa lua e teve impacto duradouro na Terra também.

A enorme quantidade de crateras da Lua exemplifica o que foi o Último Grande Bombardeio.

As únicas crateras de impacto que vemos hoje na Terra, como a do Arizona (Cratera Barringer), foram feitas mais recentemente, mas revelam a dimensão desses impactos. Hoje, impactos como este são relativamente raros, embora possam acontecer de novo, mas durante o Último Grande Bombardeio, a Terra foi atingida por milhares de objetos com tamanhos muito superiores às do objeto que fez esta cratera, e o ambiente mudou radicalmente e de forma dramática.

Cratera Barringer, no Arizona, causada pelo impacto de um meteoro há aproximadamente 50 mil anos. O meteorito que a atingiu, tinha pelo menos 50 metros de diâmetro e estava a 40 mil quilômetros por hora, atingindo o solo com a força de uma bomba de hidrogênio. A cratera tem mais de um quilômetro de diâmetro e cerca de 200 metros de profundidade.

Essas mudanças não foram necessariamente catastróficas, porque sabe-se agora que uma grande quantidade da água dos oceanos da Terra veio com o impacto dos cometas ricos em água e outros objetos durante este período, o que significa que os impactos tiveram papel fundamental no início da vida na Terra. Antes do Último Grande Bombardeio, a Terra era uma rocha árida. Depois, suportou os oceanos que se tornariam o berço para a vida. Sem a água trazida no Grande Bombardeio, a vida na Terra nunca teria evoluído. É consenso que tudo isso pode ter sido causado pelas violentas ressonâncias geradas pelos planetas orbitantes.

Os cometas foram responsáveis por trazer grande quantidade de água para a Terra, ajudando na formação dos oceanos

A história do sistema solar é a história da criação da ordem a partir  do caos. Os planetas e suas luas foram criados pelas mesmas leis universais, a delicada interação entre a gravidade e o momento angular, que levaram aos padrões de órbitas que hoje vemos ao nosso redor.
Na criação do Sistema Solar, as forças envolvidas formaram o mais bonito laboratório: Os anéis de Saturno. Eles foram inicialmente estudados pela beleza, mas a percepção de sua formação e evolução levou a uma compreensão profunda de como a forma, a beleza e a ordem podem surgir da violência e do caos. E essa compreensão pode ser propagada para todo o sistema solar e lembre-se que você e eu somos parte do sistema solar. Você e eu somos estruturas ordenados advindas do caos da nuvem de poeira primordial de 4,5 bilhões de anos, e essa é uma das maravilhas do sistema solar. 

Fim da Aula 2.