Os dois maiores planetas do nosso Sistema Solar, Júpiter e Saturno, possuem também os maiores sistemas de satélites, ou seja, o maior número de luas. Actualmente, o número de luas conhecidas de Júpiter ascende a mais de 100, e, juntamente com os seus numerosos anéis, Saturno tem mais de 280 luas conhecidas. No entanto, nem todas estas luas são iguais. A família de luas de Júpiter tem quatro membros de grande dimensão, incluindo a maior lua do Sistema Solar, Ganimedes, enquanto a família de Saturno é dominada por uma grande lua, Titã, a segunda maior do Sistema Solar.
Representação artística das simulações realizadas nesta investigação. Júpiter (canto inferior esquerdo) possui um forte campo magnético que cria uma cavidade no seu disco circumplanetário. Saturno (canto superior direito) não possui um campo magnético forte, pelo que o seu disco circumplanetário evolui sem uma cavidade. Crédito: Yuri I. Fujii/L-INSIGHT (Universidade de Quioto), ilustração por Shinichiro Kinoshita
Uma vez que ambos os planetas são gigantes gasosos, as razões para as diferenças nestes sistemas de satélites têm intrigado os astrónomos há muito tempo. As teorias sobre a formação de satélites propuseram algumas possibilidades, mas estudos recentes sobre campos magnéticos estelares sugeriram a necessidade de repensar estas teorias. Existe também um debate de longa data em torno da acreção magnética e da formação de satélites: especificamente, se uma cavidade interna pode ser formada no disco circumplanetário de Júpiter, a acumulação de material em órbita de um planeta a partir do qual os satélites podem se formar.
Um modelo fisicamente consistente que consiga explicar sistemas múltiplos, como os sistemas de satélites de Júpiter e de Saturno, poderá ser aplicável a outros sistemas planetários e de satélites para lá do Sistema Solar. Isto motivou uma equipa colaborativa de investigadores de instituições no Japão e na China a desenvolver um modelo desse tipo.
“Testar a teoria da formação planetária é um pouco difícil, porque só temos o nosso Sistema Solar como referência, mas existem vários sistemas de satélites próximos de nós cujas características detalhadas podemos observar”, afirma o primeiro autor, Yuri I. Fujii, da Universidade de Quioto.
Para compreender a evolução térmica de Júpiter e de Saturno e a forma como os seus campos magnéticos variaram ao longo do tempo, a equipa realizou simulações numéricas das estruturas internas de gigantes gasosos jovens. A equipa também modelou numericamente os discos circumplanetários de ambos os planetas e realizou simulações de N-corpos para acompanhar a formação de satélites e a migração orbital, utilizando o “cluster” de computadores do Centro de Astrofísica Computacional do NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan).
Os resultados revelaram que a diferença entre os grandes sistemas de satélites em torno de Júpiter e Saturno pode ser explicada pelas suas diferentes estruturas de disco, originadas pela intensidade dos seus campos magnéticos. Especificamente, o forte campo magnético de Júpiter causou a formação de uma cavidade magnetosférica no disco circumplanetário em torno do jovem gigante gasoso, que provavelmente capturou as luas Io, Europa e Ganimedes. Em contraste, o campo magnético do jovem Saturno era demasiado fraco para formar uma cavidade, pelo que as luas migrantes não conseguem sobreviver no disco.
Este estudo constitui uma base para futuras observações de exoluas e discos circumplanetários em torno de gigantes gasosos. O modelo da equipa prevê que gigantes gasosos do tamanho de Júpiter ou maiores evoluiriam para sistemas compactos com várias luas, enquanto em torno de planetas gasosos do tamanho de Saturno se formariam uma ou duas luas. Em seguida, a equipa pretende alargar a sua teoria a outras luas e a potenciais sistemas de exoluas.
A maior lua de Saturno, Titã, é uma das grandes curiosidades do sistema solar. Agora, os investigadores descobriram novos dados importantes sobre a misteriosa lua, incluindo como surgiu. A resposta também pode esclarecer a origem dos belos anéis de Saturno.
Envolta numa espessa névoa, Titã tem cerca de metade do tamanho da Terra e é maior que Mercúrio – tão maciça que a sua atracção gravitacional faz Saturno oscilar e inclinar-se. Titã está a afastar-se de Saturno a uma velocidade de 11 centímetros (4,3 polegadas) por ano, muito mais rápido do que os astrónomos pensavam anteriormente. Eventualmente, a lua poderá ser ejectada completamente da órbita do planeta.
Mas a órbita à deriva de Titã é apenas um dos muitos enigmas que os astrónomos estão a tentar resolver sobre Saturno e algumas das suas 274 luas. Muitas das questões surgiram a partir dos dados recolhidos pela Cassini, uma sonda espacial que explorou o sistema saturniano de 2004 a 2017.
Uma nova investigação combinou teorias anteriores sobre a formação de Titã, dados da Cassini e simulações computacionais para sugerir uma nova história de origem para a maior lua de Saturno. O estudo foi publicado em Fevereiro no repositório de acesso aberto ArXiv e aceito para publicação no The Planetary Science Journal.
“Neste artigo, tentei reunir todas essas informações e proponho que havia uma lua extra há cerca de 500 milhões de anos que colidiu com Titã, tornando-se parte dela”, explica o autor principal Matija Ćuk, cientista pesquisador do Instituto SETI em Mountain View, Califórnia. O SETI é uma organização sem fins lucrativos que explora temas como ciência planetária, origem da vida e inteligência extraterrestre.
A colisão também pode ter produzido Hipérion, a maior das luas não esféricas de Saturno, que é muito menor que Titã, com cerca de 5% do seu diâmetro. De acordo com a teoria, Hipérion pode ser um fragmento resultante da colisão entre Titã e a lua perdida, ou pode ter se formado posteriormente a partir de detritos que se acumularam ao redor da órbita de Titã.
Imagem em cores falsas da lua Hyperion de Saturno, obtida durante a aproximação da sonda Cassini em Setembro de 2005. NASA/JPL/Space Science Institute
A fusão entre Titã e a lua perdida também pode ter levado à formação dos anéis de Saturno, acrescenta Ćuk. “A partir desse evento, Titã pode ter perturbado algumas das luas internas, provocando mais colisões, o que criou os anéis algum tempo depois, talvez há 100 milhões de anos”, teoriza.
Uma lua extra “explica tudo”
Os investigadores encontraram sinais reveladores de uma colisão antiga na inclinação de Saturno, que se torna evidente pelos anéis; o gigante gasoso gira num ângulo de 26,7 graus em relação ao plano em que orbita o sol.
Os anéis de Saturno estão inclinados cerca de 26,7 graus em relação ao plano orbital do planeta. NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
Antes da missão Cassini, os astrónomos acreditavam que as perturbações gravitacionais causadas pela órbita do vizinho Neptuno provocaram a inclinação de Saturno ao longo do tempo.
“A órbita de Neptuno tem uma ligeira oscilação no espaço”, explica Ćuk. “As órbitas dos planetas são enormes e têm uma energia muito grande. Mas as rotações dos planetas são muito, muito menores, então, caso se conectem estes dois movimentos – a órbita de Neptuno e a rotação de Saturno -, é a rotação de Saturno que sofrerá alterações.”
No entanto, os dados da Cassini mostraram que os dois planetas não estão exactamente em sincronia, apontando para um elemento ausente. Em 2022, os astrónomos sugeriram que uma lua perdida, a que chamaram de Chrysalis, era uma explicação provável para a inclinação actual de Saturno. Chrysalis teria orbitado o planeta durante milhares de milhões de anos, contribuindo para a ressonância de Saturno com Neptuno, mas há cerca de 160 milhões de anos a lua aproximou-se demais de Saturno e foi destruída num evento que criou os anéis do planeta e alterou sua inclinação.
Ćuk e os colegas aprimoraram a ideia. Levantaram a hipótese de que o evento não foi apenas uma lua a roçar Saturno e depois a desintegrar-se, mas uma colisão entre os antecessores de Titã e Hipérion. “Eu chamo-a de proto-Hipérion, mas era mil vezes maior – era como uma versão menor de Titã”, refere Ćuk.
Essa lua perdida colidiu com Titã e perdeu grande parte da massa, um evento que explicaria a órbita instável de Titã e a rotação de Saturno. “Neste momento, Saturno está a oscilar um pouco rápido demais”, diz Ćuk. “Mas se voltarmos algumas centenas de milhões de anos, quando vimos isso acontecer, a oscilação era um pouco menor do que o necessário para ter a ressonância com Neptuno. Se adicionarmos uma lua extra, a oscilação é a exacta. E isso explica tudo.”
Por outras palavras, a gravidade e a massa da lua perdida mantinham Saturno e Neptuno em sincronia, e apenas o seu desaparecimento explica por que agora estão ligeiramente desalinhados.
Se a colisão também criou Hipérion na forma actual – uma rocha menor, instável e deformada -, explicaria por que a órbita está bloqueada com a de Titã. Mas ainda não é claro, acautela Ćuk, se Hipérion é um fragmento do precursor de Titã ou da lua perdida que se fundiu com ele.
De acordo com o estudo, os anéis de Saturno podem ter sido formados há centenas de milhões de anos após o evento. A órbita em expansão de Titã interagiu com algumas das luas internas de Saturno, perturbando-as ao ponto de as fazer colidir umas com as outras. Alguns dos detritos resultantes sobreviveram como os anéis.
Um artigo publicado em Fevereiro, que postula que a superfície de Titã tem apenas 300 milhões de anos com base na ausência de crateras de impacto, dá credibilidade a este cenário da colisão, de acordo com Ćuk.
Mas a melhor maneira de testar a teoria é através do Dragonfly da NASA — um helicóptero movido a energia nuclear, do tamanho de um carro, que sobrevoará a superfície de Titã e pousará em diferentes pontos para recolher e analisar amostras graças aos instrumentos a bordo. Actualmente, o lançamento está previsto para 2028, com chegada a Titã no final de 2034.
A Dragonfly, vista aqui numa representação artística, está preparada para pousar na superfície de Titã. NASA/Johns Hopkins APL
“É complicado”
A evolução das luas no sistema de Saturno e a origem dos anéis são enigmas interessantes que intrigam os cientistas, explica Linda Spilker, investigadora sénior e cientista planetária do Laboratório de Propulsão a Jacto da NASA, que não participou no estudo.
“Os anéis podem ter apenas algumas centenas de milhões de anos ou terem-se formado ao mesmo tempo que Saturno”, acrescenta Spilker num e-mail. “Este estudo fornece evidências convincentes de que Hipérion e os anéis de Saturno se formaram bem depois da formação de Saturno.”
Como um relógio musical intrincado, Saturno e os seus satélites giram e orbitam com uma variedade de batidas e ressonâncias, de acordo com William B. Hubbard, professor emérito de ciências planetárias da Universidade do Arizona, que também não participou na pesquisa.
Saturno oscila como um pião a uma frequência suspeitosamente próxima da frequência básica do sistema solar, mas não está totalmente em sintonia, sugerindo que pode ter ocorrido algum tipo de perturbação relativamente recente, explica Hubbard num e-mail.
Vista de Titã a partir da sonda Cassini, com o sol a iluminar os mares do pólo norte da lua. NASA/JPL-Caltech/Universidade do Arizona/Universidade de Idaho
“Um estudo de 2022 propôs que havia um satélite extinto, apelidado de Chrysalis, responsável pela formação dos anéis, mas a probabilidade de tal evento era decepcionantemente baixa”, escreve Hubbard. “O novo estudo de Ćuk mostra que uma variante desse processo, envolvendo o satélite Hipérion ainda existente, é mais provável.”
O cenário proposto por Ćuk e pelos seus colegas fornece uma sequência complicada, mas altamente plausível, de eventos que explica o sistema saturniano como os cientistas o vêem hoje, segundo Carl Murray, professor emérito de matemática e astronomia da Queen Mary University of London. Murray não esteve envolvido no trabalho, mas foi membro da equipa Cassini.
Os astrónomos há muito suspeitavam que o sistema saturniano tivesse evoluído desde a formação, mas detalhar a extensão da mudança sempre foi um problema, observa através de num e-mail.
“É um pouco como ‘CSI: Saturno’ – temos evidências forenses claras de que algo incomum aconteceu”, explica, “mas até a Cassini, estávamos efectivamente a lidar apenas com um momento instantâneo da cena do crime e a tentar deduzir os possíveis culpados”.
Um dos muitos legados dos 13 anos de medições detalhadas da Cassini, combinadas com dados históricos, foi a descoberta de que a órbita de Titã está a expandir-se muito mais rapidamente do que se esperava, continua Murray.
“O sistema de Saturno é um paraíso para os dinamistas, com inúmeras relações numéricas – chamadas ressonâncias – entre os períodos orbitais dos pares de luas. ‘É complicado’ é uma descrição justa de todas essas relações dinâmicas ao longo dos últimos 400 milhões de anos, mas os autores identificam o papel de Titã como fundamental para a nossa compreensão do sistema de Saturno.”
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