O futuro dos planetas gigantes do Sistema Solar pode ser muito mais instável do que se imaginava. Uma nova pesquisa indica que Júpiter, Saturno, Urano e Netuno poderão sofrer grandes alterações em suas órbitas durante as etapas finais da evolução do Sol, quando a estrela perderá uma parcela significativa de sua massa antes de se transformar em uma anã branca.
O estudo, realizado por Konstantin Batygin e Jim Fuller, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, e Fred Adams, da Universidade de Michigan, foi publicado no The Astrophysical Journal Letters. Os pesquisadores utilizaram simulações computacionais para investigar como diferentes formas de perda de massa solar afetariam a estabilidade gravitacional dos quatro planetas gigantes.
Atualmente, o Sistema Solar apresenta uma configuração orbital relativamente estável. Embora os planetas exerçam influência gravitacional uns sobre os outros, suas trajetórias permanecem suficientemente separadas para evitar encontros próximos capazes de provocar grandes alterações.
Entretanto, essa estabilidade depende, entre outros fatores, da massa do Sol.
Daqui a aproximadamente 5 bilhões de anos, o Sol começará a deixar a fase atual de sua evolução e se expandirá até se tornar uma gigante vermelha. Durante as etapas seguintes, perderá grande parte de suas camadas externas e terminará sua evolução como uma anã branca, um remanescente estelar compacto que continuará esfriando lentamente.
Quando uma estrela perde massa, sua atração gravitacional sobre os planetas diminui. Como consequência, as órbitas planetárias tendem a se expandir.
Nos modelos tradicionais, esse processo costuma ser representado como uma perda de massa gradual e relativamente uniforme. Nessas condições, os planetas podem migrar para órbitas mais distantes sem necessariamente sofrer mudanças abruptas em sua organização.
Estudos anteriores indicavam que o Sistema Solar externo poderia permanecer estável por dezenas de bilhões de anos após a morte do Sol, até que encontros gravitacionais com outras estrelas acabassem provocando a dispersão dos planetas.
O novo trabalho investigou uma possibilidade diferente.
Observações de anãs brancas indicam que algumas dessas estrelas apresentam movimentos que podem ter sido produzidos por uma perda de massa assimétrica durante suas fases finais de evolução.
Isso significa que o material não teria sido expelido igualmente em todas as direções. Em vez disso, episódios de ejeção poderiam provocar pequenos movimentos de recuo na própria estrela, de maneira semelhante ao que acontece quando um objeto lança matéria em uma direção e recebe um impulso na direção oposta.
Se o Sol passar por um processo semelhante, esses movimentos poderão modificar a dinâmica gravitacional dos planetas que permanecerem ao seu redor.
Para investigar essa hipótese, os pesquisadores desenvolveram simulações que combinaram modelos da evolução solar com cálculos das interações gravitacionais entre Júpiter, Saturno, Urano e Netuno.
A equipe realizou 672 simulações, considerando diferentes intensidades de perda de massa e diferentes períodos da evolução solar em que os episódios de ejeção poderiam ocorrer.
Alguns cenários incluíram impulsos durante as fases de gigante vermelha e gigante assintótica, enquanto outros concentraram os episódios nas etapas finais, quando a estrela estará próxima de perder suas camadas externas.
Os pesquisadores também compararam esses resultados com modelos em que a perda de massa ocorria de maneira gradual.
A diferença foi significativa.
Quando a massa era perdida suavemente, os planetas geralmente se afastavam do Sol sem apresentar perturbações suficientes para destruir rapidamente a organização orbital.
Entretanto, nos cenários em que a estrela recebia sucessivos impulsos provocados por ejeções assimétricas, as órbitas planetárias podiam sofrer pequenas alterações acumulativas.
Cada episódio modificava ligeiramente a configuração do sistema. Com o passar do tempo, essas mudanças podiam aumentar as excentricidades orbitais, tornando as trajetórias menos circulares e favorecendo aproximações entre os planetas.
Em determinadas condições, a instabilidade começava ainda durante a fase de gigante vermelha, antes mesmo de o Sol concluir sua transformação em anã branca.
Nos cenários considerados representativos das intensidades de ejeção compatíveis com observações de anãs brancas, aproximadamente 40% das simulações apresentaram dispersão violenta ou desestabilização significativa antes da formação do remanescente estelar.
Ao acompanhar a evolução por mais 3 bilhões de anos após a formação da anã branca, os pesquisadores encontraram instabilidade em cerca de 90% dos sistemas simulados nesses cenários.
A porcentagem variou conforme o período em que os impulsos eram aplicados. Em uma das configurações, a instabilidade atingiu aproximadamente 96% dos sistemas. Em outra, na qual a perda irregular de massa ficava restrita às etapas finais da evolução solar, o resultado foi de aproximadamente 83%.
Esses números não representam uma previsão definitiva para o futuro do Sistema Solar. Eles descrevem o comportamento de conjuntos específicos de simulações e dependem das características atribuídas à perda de massa solar.
Os resultados também não indicam que todos os planetas necessariamente colidirão entre si ou serão destruídos fisicamente.
Em algumas simulações, um planeta era expulso do Sistema Solar após interações gravitacionais com os demais. Em outras, Urano e Netuno apresentavam mudanças significativas em suas trajetórias, chegando a trocar suas posições orbitais.
Também foram encontrados casos em que a reorganização não provocava a dispersão imediata dos planetas.
Alguns sistemas entravam em configurações chamadas ressonâncias orbitais, nas quais os períodos de revolução dos planetas estabelecem relações numéricas específicas. Dependendo das condições, essas configurações podem modificar a evolução dinâmica e, em certos casos, contribuir para uma estabilidade prolongada.
A pesquisa mostra, portanto, que a perda irregular de massa solar pode produzir diferentes resultados, desde mudanças relativamente moderadas até uma reorganização completa do Sistema Solar externo.
A principal conclusão é que o tempo de estabilidade dos planetas gigantes pode ser muito menor do que o estimado por modelos que consideram apenas uma evolução gravitacional suave.
A estabilidade dinâmica intrínseca do Sistema Solar externo já havia sido estimada em aproximadamente um quintilhão de anos, ou (10^{18}) anos. Entretanto, quando a evolução do Sol e encontros com outras estrelas eram considerados, estudos anteriores apontavam para uma duração muito menor, da ordem de 100 bilhões de anos.
Agora, os novos modelos indicam que, se o Sol perder massa de maneira suficientemente irregular, a instabilidade poderá ocorrer em uma escala de aproximadamente um bilhão de anos após sua transformação em anã branca, com alguns sistemas começando a se desestabilizar ainda antes dessa etapa.
Isso não significa que o Sistema Solar entrará em colapso daqui a um bilhão de anos. O cenário estudado ocorrerá somente depois que o Sol passar pelas etapas finais de sua evolução, bilhões de anos no futuro.
A Terra também não foi o foco dessas simulações. Seu destino está relacionado a processos anteriores, como o aumento progressivo da luminosidade solar e a expansão da estrela durante a fase de gigante vermelha.
A nova pesquisa se concentra especificamente na sobrevivência dinâmica dos quatro planetas gigantes, que estarão muito mais distantes do Sol quando a estrela terminar sua evolução.
Outro ponto importante é que a hipótese depende de como a perda de massa realmente ocorrerá. Embora movimentos observados em anãs brancas indiquem que ejeções assimétricas podem desempenhar um papel importante, ainda existem incertezas sobre a intensidade e a distribuição desses episódios.
Por isso, os resultados representam uma previsão teórica que poderá ser aperfeiçoada à medida que os astrônomos compreenderem melhor os processos de perda de massa em estrelas semelhantes ao Sol.
A descoberta também tem implicações para sistemas planetários ao redor de outras estrelas.
Quando uma estrela envelhece e perde suas camadas externas, a reorganização gravitacional pode modificar as órbitas de planetas sobreviventes, expulsar alguns deles ou aproximá-los do remanescente estelar.
Compreender esses processos ajuda a explicar por que alguns sistemas planetários observados ao redor de anãs brancas apresentam configurações diferentes daquelas encontradas em estrelas ainda na sequência principal.
O novo estudo mostra que a morte de uma estrela não afeta apenas os planetas mais próximos, que podem ser engolidos durante sua expansão. Mesmo mundos gigantes localizados muito além das regiões internas podem ter suas órbitas profundamente modificadas pela maneira como a estrela perde massa.
Se o Sol apresentar episódios intensos e assimétricos de ejeção durante sua evolução final, a organização atual de Júpiter, Saturno, Urano e Netuno poderá deixar de existir muito antes do que sugeriam os modelos tradicionais.
Sobre a Imagem: Ilustração do Sol em atividade, com regiões brilhantes associadas a campos magnéticos intensos e grandes erupções de plasma. As estruturas que se projetam além de sua borda são chamadas de proeminências solares. A imagem utiliza cores artificiais para destacar detalhes da atmosfera solar que não seriam visíveis dessa forma a olho nu.
Créditos da Imagem: Unsplash/CC0 Domínio Público
Artigo Científico: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aea290