Crédito da imagem: NWU
As órbitas peculiares de três planetas em torno de uma estrela distante podem ser explicadas apenas se um quarto planeta invisível tropeçar e derrubá-las de suas órbitas circulares, de acordo com um novo estudo de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley e Northwestern University.
A conclusão é baseada em extrapolações computacionais de 13 anos de observações de movimentos de planetas ao redor da estrela Upsilon Andromedae. Isso sugere que as órbitas não circulares e muitas vezes altamente elípticas de muitos dos planetas extra-solares descobertos até hoje podem ser o resultado de planetas se dispersando uns sobre os outros. Nesse cenário, o planeta perturbador pode ser completamente expulso do sistema ou ser lançado em uma órbita distante, deixando os planetas internos com órbitas excêntricas.
"Este é provavelmente um dos dois ou três sistemas extra-solares que têm as melhores observações e restrições mais rígidas e conta uma história única", disse Eric Ford, um pós-doutorado da Miller Berkeley na UC. "Nossa explicação é que a órbita original do planeta exterior era circular, mas recebeu esse chute repentino que mudou permanentemente sua órbita para ser altamente excêntrica. Para dar esse pontapé, sugerimos a hipótese de que havia um planeta adicional que não vemos agora. Acreditamos que agora entendemos como esse sistema funciona. ”
Se um planeta assim tivesse atravessado nosso sistema solar no início de sua história, observaram os pesquisadores, os planetas internos podem não ter órbitas tão circulares e, com base em suposições atuais sobre as origens da vida, o clima da Terra pode ter flutuado demais para a vida ter surgido.
"Embora os planetas em nosso sistema solar permaneçam estáveis por bilhões de anos, não foi o caso dos planetas que orbitam o Upsilon Andromedae", disse Ford. "Embora esses planetas possam ter se formado de maneira semelhante a Júpiter e Saturno, suas órbitas atuais foram esculpidas por uma fase tardia de interações caóticas e violentas".
De acordo com o colega de Ford, Frederic A. Rasio, professor associado de física e astronomia da Northwestern, “nossos resultados mostram que um mecanismo simples, geralmente chamado de 'espalhamento planeta-planeta' - é uma espécie de efeito estilingue devido à súbita atração gravitacional entre dois planetas quando se aproximam muito - devem ser responsáveis pelas órbitas altamente excêntricas observadas no sistema Upsilon Andromedae. Acreditamos que a dispersão planeta-planeta ocorreu com freqüência em sistemas planetários extra-solares, e não apenas neste, resultante de fortes instabilidades. Portanto, embora os sistemas planetários ao redor de outras estrelas possam ser comuns, os tipos de sistemas que poderiam sustentar a vida, que, como o nosso sistema solar, provavelmente devem permanecer estáveis em escalas de tempo muito longas, podem não ser tão comuns. ”
As simulações por computador são relatadas na edição de 14 de abril da revista Nature por Ford, Rasio e Verene Lystad, uma estudante de graduação em física no noroeste. Ford estudava Rasio no Instituto de Tecnologia de Massachusetts antes de cursar pós-graduação na Universidade de Princeton e chegar à UC Berkeley em 2004.
O sistema planetário em torno de Upsilon Andromedae é um dos mais estudados dos 160 - alguns com planetas descobertos até agora fora do nosso próprio sistema solar. O planeta interior, um "Júpiter quente" tão próximo da estrela que sua órbita dura apenas alguns dias, foi descoberto em 1996 por Geoff Marcy, da UC Berkeley, e sua equipe de caça ao planeta. Os dois planetas exteriores, com órbitas alongadas que se perturbam fortemente, foram descobertos em 1999. Esses três planetas enormes, semelhantes a Júpiter, ao redor de Upsilon Andromedae, compreendiam o primeiro sistema multi-planetário extra-solar descoberto pela espectroscopia Doppler.
Devido à natureza incomum das órbitas planetárias em torno de Upsilon Andromedae, Marcy e sua equipe estudaram intensamente, fazendo quase 500 observações - 10 vezes mais do que para a maioria dos outros planetas extra-solares que foram encontrados. Essas observações, as oscilações no movimento da estrela induzidas pelos planetas em órbita, permitem um gráfico muito preciso dos movimentos dos planetas ao redor da estrela.
"As observações são tão precisas que podemos assistir e prever o que acontecerá por dezenas de milhares de anos no futuro", afirmou Ford.
Hoje, enquanto o planeta mais próximo se aproxima da estrela, os dois planetas exteriores orbitam em órbitas em forma de ovo. Simulações em computador de mudanças orbitais passadas e futuras mostraram, no entanto, que os planetas externos estão envolvidos em uma dança repetitiva que, uma vez a cada 7.000 anos, leva a órbita do planeta do meio a um círculo.
"Essa propriedade de retornar a uma órbita muito circular é bastante notável e geralmente não acontece", afirmou Ford. “A explicação natural é que eles estavam em órbitas circulares, e um deles recebeu um grande chute que fez com que se tornasse excêntrico. Então, a evolução subsequente fez com que o outro planeta aumentasse sua excentricidade, mas devido à conservação de energia e momento angular, ele retorna periodicamente a uma órbita quase circular. ”
Anteriormente, os astrônomos haviam proposto dois cenários possíveis para a formação do sistema planetário de Upsilon Andromedae, mas os dados observacionais ainda não eram suficientes para distinguir os dois modelos. Outro astrônomo, Renu Malhotra, da Universidade do Arizona, havia sugerido anteriormente que a dispersão planeta-planeta poderia ter excitado as excentricidades do Upsilon Andromedae. Mas uma explicação alternativa afirmou que as interações entre os planetas e um disco de gás em torno da estrela também poderiam ter produzido órbitas excêntricas. Ao combinar dados observacionais adicionais com novos modelos de computador, Ford e seus colegas conseguiram mostrar que as interações com um disco de gás não teriam produzido as órbitas observadas, mas que as interações com outro planeta as produziriam naturalmente.
“A principal característica distintiva entre essas teorias era que as interações com um disco externo faziam as órbitas mudarem muito lentamente, e uma forte interação com um planeta que passava fazia com que as órbitas mudassem muito rapidamente em comparação com a escala de 7.000 anos para o tempo. órbitas para evoluir ”, disse Ford. "Como as duas hipóteses fazem previsões diferentes para a evolução do sistema, podemos restringir a história do sistema com base nas órbitas planetárias atuais."
Ford disse que, à medida que os planetas se formavam dentro de um disco de gás e poeira, o arrasto nos planetas teria mantido suas órbitas circulares. Depois que a poeira e o gás se dissiparam, apenas uma interação com um planeta que passava poderia ter criado as órbitas específicas dos dois planetas externos observados hoje. Talvez, ele notou, o perturbador planeta tenha sido lançado nos planetas internos por interações com outros planetas distantes da estrela central.
No entanto, começou, as interações caóticas resultantes teriam criado uma órbita muito excêntrica para o terceiro planeta, que também perturbou gradualmente a órbita do segundo planeta. Como o planeta exterior domina o sistema, com o tempo perturbou a órbita do planeta intermediário o suficiente para transformá-lo lentamente em uma órbita excêntrica, que é o que é visto hoje, embora a cada 7.000 anos, o planeta médio retorne gradualmente a uma circular órbita.
"É isso que torna o sistema tão peculiar", disse Rasio. “Normalmente, o acoplamento gravitacional entre duas órbitas elípticas nunca faria alguém voltar a um círculo quase perfeito. Um círculo é muito especial.
"Originalmente, o principal objetivo de nossa pesquisa era simular o sistema planetário Upsilon Andromedae, essencialmente para determinar se os dois planetas exteriores estão no mesmo plano que os planetas do sistema solar", disse Lystad, que começou a trabalhar com Rasio. quando ela estava no segundo ano e fez muitas das integrações de computadores como parte de sua tese sênior. “Ficamos surpresos ao descobrir que, para muitas de nossas simulações, era difícil dizer se os planetas estavam no mesmo plano devido ao fato de que a órbita do planeta do meio periodicamente se tornava periodicamente quase circular. Depois que percebemos que esse comportamento estranho estava presente em todas as nossas simulações, o reconhecemos como marca de um sistema que havia sofrido dispersão planeta-planeta. Percebemos que havia algo muito mais interessante acontecendo do que qualquer um havia encontrado antes. ”
Compreender o que aconteceu durante a formação e evolução de Upsilon Andromedae e outros sistemas planetários extra-solares tem grandes implicações para o nosso próprio sistema solar.
"Quando você percebe que a maioria dos planetas extrasolares conhecidos tem órbitas altamente excêntricas (como os planetas do Upsilon Andromedae), você começa a se perguntar se pode haver algo de especial em nosso sistema solar", disse Ford. “A violenta dispersão planeta-planeta é tão comum que poucos sistemas planetários permanecem calmos e habitáveis? Felizmente, os astrônomos - liderados por Geoff Marcy, professor de astronomia da UC Berkeley - estão fazendo diligentemente as observações que eventualmente responderão a essa pergunta emocionante. ”
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e pelo Miller Institute for Basic Research da UC Berkeley.
Fonte original: Berkeley News Release
