A inclinação de Urano tem essencialmente o planeta orbitando o Sol de lado, o eixo de sua rotação está quase apontando para o Sol.
(Imagem: © NASA e Erich Karkoschka, EUA)
Embora os planetas envolvam estrelas na galáxia, como elas se formam permanece um assunto de debate. Apesar da riqueza de mundos em nosso próprio sistema solar, os cientistas ainda não sabem ao certo como os planetas são construídos. Atualmente, duas teorias estão disputando o papel de campeão.
O primeiro e mais amplamente aceito, núcleo de acreção, funciona bem com a formação dos planetas terrestres, mas tem problemas com planetas gigantes como Urano. O segundo, o método de instabilidade do disco, pode ser responsável pela criação de planetas gigantes.
"O que separa os gigantes do gelo dos gigantes do gás é a sua história de formação: durante o crescimento do núcleo, o primeiro nunca excedeu [massa crítica] em um disco cheio de gás", escreveram os pesquisadores Renata Frelikh e Ruth Murray-Clay em um trabalho de pesquisa.
O modelo de acreção principal
Aproximadamente 4,6 bilhões de anos atrás, o sistema solar era uma nuvem de poeira e gás conhecida como nebulosa solar. A gravidade colapsou o material sobre si mesmo quando começou a girar, formando o sol no centro da nebulosa.
Com o nascer do sol, o material restante começou a se agrupar. Pequenas partículas se uniram, ligadas pela força da gravidade, em partículas maiores. O vento solar varreu elementos mais leves, como hidrogênio e hélio, das regiões mais próximas, deixando apenas materiais pesados e rochosos para criar mundos terrestres. Mais longe, porém, os ventos solares tiveram menos impacto sobre elementos mais leves, permitindo que eles se fundissem em gigantes gasosos como Urano. Dessa maneira, asteróides, cometas, planetas e luas foram criados.
Ao contrário da maioria dos gigantes de gás, Urano tem um núcleo mais rochoso do que gasoso. O núcleo provavelmente se formou primeiro e, depois, reuniu o hidrogênio, o hélio e o metano que compõem a atmosfera do planeta. O calor do núcleo impulsiona a temperatura e o clima de Urano, superando o calor proveniente do sol distante, que fica a quase 3 bilhões de quilômetros de distância.
Algumas observações de exoplanetas parecem confirmar o acréscimo do núcleo como o processo de formação dominante. Estrelas com mais "metais" - termo que os astrônomos usam para outros elementos que não o hidrogênio e o hélio - em seus núcleos têm mais planetas gigantes do que seus primos pobres em metais. De acordo com a NASA, o núcleo de acreção sugere que mundos pequenos e rochosos devem ser mais comuns do que os gigantes gasosos mais massivos.
A descoberta de 2005 de um planeta gigante com um núcleo massivo orbitando a estrela parecida com o Sol HD 149026 é um exemplo de um exoplaneta que ajudou a fortalecer o caso de acúmulo de núcleo.
"Esta é uma confirmação da teoria central da acreção para a formação de planetas e evidência de que planetas desse tipo deveriam existir em abundância", disse Greg Henry em um comunicado à imprensa. Henry, um astrônomo da Tennessee State University, em Nashville, detectou o escurecimento da estrela.
Em 2017, a Agência Espacial Européia planeja lançar o característico ExOPlanet Satellite (CHEOPS), que estudará exoplanetas com tamanhos variando de super-Terras a Netuno. Estudar esses mundos distantes pode ajudar a determinar como os planetas do sistema solar se formaram.
"No cenário central de acreção, o núcleo de um planeta deve atingir uma massa crítica antes de poder acumular gás de maneira descontrolada", disse a equipe do CHEOPS. "Essa massa crítica depende de muitas variáveis físicas, entre as quais a mais importante é a taxa de acúmulo de planetesimais".
Ao estudar como os planetas em crescimento acumulam material, o CHEOPS fornecerá informações sobre como o mundo cresce.
O modelo de instabilidade do disco
Mas a necessidade de uma formação rápida para os planetas gigantes de gás é um dos problemas do acúmulo de núcleo. Segundo os modelos, o processo leva vários milhões de anos, mais do que os gases leves estavam disponíveis no início do sistema solar. Ao mesmo tempo, o modelo central de acreção enfrenta um problema de migração, pois é provável que os planetas bebês entrem em espiral ao sol em um curto período de tempo.
"Planetas gigantes se formam muito rápido, em alguns milhões de anos", disse Kevin Walsh, pesquisador do Instituto de Pesquisa Southwest em Boulder, Colorado, ao Space.com. "Isso cria um limite de tempo, porque o disco de gás ao redor do sol dura apenas 4 a 5 milhões de anos".
De acordo com uma teoria relativamente nova, a instabilidade do disco, os aglomerados de poeira e gás são unidos no início da vida do sistema solar. Com o tempo, esses aglomerados se compactam lentamente em um planeta gigante. Esses planetas podem se formar mais rapidamente do que seus rivais principais de acreção, às vezes em menos de mil anos, permitindo que eles capturem os gases mais leves que desaparecem rapidamente. Eles também atingem rapidamente uma massa estabilizadora de órbita que os impede de marchar para o sol.
À medida que os cientistas continuam estudando planetas dentro do sistema solar, bem como em torno de outras estrelas, eles entenderão melhor como Urano e seus irmãos se formaram.
Acréscimo de seixos
O maior desafio para a acumulação de núcleo é o tempo - construindo gigantes gigantes de gás com rapidez suficiente para capturar os componentes mais leves de sua atmosfera. Pesquisas recentes sobre como objetos menores, do tamanho de seixos, se fundiram para construir planetas gigantes até 1000 vezes mais rápido que os estudos anteriores.
"Este é o primeiro modelo que conhecemos e que você começa com uma estrutura bastante simples para a nebulosa solar a partir da qual os planetas se formam e acaba com o sistema de planeta gigante que vemos", estuda o principal autor do estudo, Harold Levison, astrônomo. no Instituto de Pesquisa Southwest (SwRI), no Colorado, disse ao Space.com em 2015.
Em 2012, os pesquisadores Michiel Lambrechts e Anders Johansen, da Universidade de Lund, na Suécia, propuseram que pequenas pedrinhas, uma vez descartadas, eram a chave para a rápida construção de planetas gigantes.
"Eles mostraram que as sobras desse processo de formação, que antes eram consideradas sem importância, poderiam na verdade ser uma solução enorme para o problema de formação de planetas", disse Levison.
Levison e sua equipe desenvolveram essa pesquisa para modelar com mais precisão como os pequenos seixos poderiam formar planetas vistos na galáxia hoje. Enquanto simulações anteriores, objetos grandes e médios consumiam seus primos de seixos a uma taxa relativamente constante, as simulações de Levison sugeriam que os objetos maiores agiam mais como agressores, arrancando seixos das massas de tamanho médio para crescer a uma velocidade muito mais rápida taxa.
"Os objetos maiores agora tendem a espalhar os menores mais do que os menores os espalham de volta, então os menores acabam sendo espalhados pelo disco de seixos", disse à Space.com a coautora do estudo Katherine Kretke, também do SwRI. . "O cara maior basicamente intimida o menor para que eles possam comer todas as pedras e continuar crescendo para formar os núcleos dos planetas gigantes".
É mais provável que a acumulação de seixos funcione para os planetas gigantes do que para os mundos terrestres. De acordo com Sean Raymond, da Universidade de Bordeaux, na França, isso ocorre porque os "seixos" são um pouco maiores e muito mais fáceis de serem mantidos além da linha de neve, a linha imaginária em que o gás é frio o suficiente para se tornar gelo.
"Para pedras, é definitivamente um pouco melhor passar da linha de neve", disse Raymond à Space.com.
Embora a acumulação de seixos funcione bem para os gigantes de gás, existem alguns desafios para os gigantes de gelo. Isso ocorre porque as partículas do tamanho de milímetro a centímetro se acumulam de maneira extremamente eficiente.
"Eles se acumulam tão rapidamente que é difícil os núcleos de gigantes de gelo existirem aproximadamente nas massas atuais por uma fração significativa da vida útil do disco enquanto acumulam um envelope de gás", escreveram Frelikh e Murray-Clay.
"Para evitar a fuga, eles devem, portanto, concluir seu crescimento em um momento específico, quando o disco de gás estiver parcialmente, mas não totalmente, esgotado".
A dupla propôs que a maior parte da acumulação de gás nos núcleos de Urano e Netuno coincidisse com o seu movimento para longe do sol. Mas o que poderia fazê-los mudar de casa no sistema solar?
Um bom modelo
Originalmente, os cientistas pensavam que os planetas se formavam na mesma parte do sistema solar em que vivem hoje. A descoberta de exoplanetas agitou as coisas, revelando que pelo menos alguns dos objetos mais massivos poderiam migrar.
Em 2005, um trio de artigos publicados na revista Nature propôs que Urano e os outros planetas gigantes estivessem presos em órbitas quase circulares muito mais compactas do que são hoje. Um grande disco de rochas e gelados os cercava, estendendo-se cerca de 35 vezes a distância Terra-Sol, logo além da órbita atual de Netuno. Eles chamaram esse modelo de Nice, depois da cidade na França, onde o discutiram pela primeira vez. (Isso é pronunciado Neese.)
Como os planetas interagiram com os corpos menores, eles espalharam a maioria deles em direção ao sol. O processo levou-os a trocar energia com os objetos, enviando Saturno, Netuno e Urano para o sistema solar. Eventualmente, os pequenos objetos chegaram a Júpiter, que os enviou voando para a extremidade do sistema solar ou completamente para fora dele.
O movimento entre Júpiter e Saturno levou Urano e Netuno a órbitas ainda mais excêntricas, enviando o par pelo restante disco de gelo. Parte do material foi arremessada para dentro, onde colidiu com os planetas terrestres durante o bombardeio pesado tardio. Outro material foi arremessado para fora, criando o Cinturão de Kuiper.
Enquanto se moviam lentamente para fora, Netuno e Urano trocavam de lugar. Eventualmente, as interações com os detritos restantes fizeram com que o par se estabelecesse em caminhos mais circulares à medida que alcançavam sua distância atual do sol.
Ao longo do caminho, é possível que um ou até dois outros planetas gigantes tenham sido expulsos do sistema. O astrônomo David Nesvorny, do Southwest Research Institute, no Colorado, modelou o sistema solar inicial em busca de pistas que poderiam levar à compreensão de sua história inicial.
"Nos primeiros dias, o sistema solar era muito diferente, com muito mais planetas, talvez tão maciços quanto Netuno, formando e sendo espalhados para lugares diferentes", disse Nesvorny ao Space.com.
Um jovem perigoso
O início do sistema solar foi um período de colisões violentas e Urano não estava isento. Enquanto a superfície da lua e Mercúrio mostram evidências de bombardeio por rochas e asteróides menores, Urano aparentemente sofreu uma colisão significativa com um protoplanet do tamanho da Terra. Como resultado, Urano é inclinado para o lado, com um pólo apontando em direção ao sol por metade do ano.
Urano é o maior dos gigantes do gelo, talvez em parte porque perdeu parte de sua massa durante o impacto.
