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segunda-feira, 7 de junho de 2021

Órbitas Planetárias em Sistemas Estelares Múltiplos

 Caros Leitores;








Se os processos que ocorrem durante a formação de múltiplos sistemas estelares não forem proibitivos, parece bastante provável que os planetas possam existir em órbitas estáveis ​​e aproximadamente circulares em torno de um ou dois membros de tipos comuns de múltiplos sistemas estelares.

O Universo está cheio de múltiplos sistemas estelares. As estimativas mais conservadoras sugerem que pelo menos um terço de todos os objetos aparentemente estelares são sistemas múltiplos, com algumas estimativas indo de mais da metade a praticamente todos. Essas não são apenas estrelas binárias, já que pelo menos um terço de todos os sistemas múltiplos têm três ou mais componentes (organizados em hierarquias de espaçamento de modo que qualquer sistema múltiplo estável pode ser pensado como um conjunto de binários). No entanto, quando se trata de selecionar objetos que podem ser capazes de suportar um sistema planetário com planetas potencialmente portadores de vida, é tradicional descartar esses sistemas múltiplos imediatamente. Tem sido argumentado que as órbitas planetárias seriam instáveis ​​e que os planetas seriam ejetados do sistema, ou pelo menos que as perturbações nas órbitas planetárias seriam tão grandes que a constância das condições exigidas para sustentar a vida seria impossível. Assim, vários sistemas (binários em particular não foram considerados como possíveis alvos em muitas listas SETI. Esta questão agora precisa ser examinada com mais cuidado.

Duas questões devem ser consideradas. Primeiro, as órbitas planetárias em vários sistemas são suficientemente estáveis ​​para permitir o desenvolvimento da vida? Em segundo lugar, os planetas poderiam se formar nesses sistemas em primeiro lugar? Um trabalho considerável foi feito nos últimos anos na primeira questão. Antes de prosseguirmos, devemos esclarecer a definição de estabilidade, uma vez que existem várias em uso comum. Aqui, queremos dizer apenas o que geralmente é referido como estabilidade orbital; que isto é, uma órbita é estável se não houver variações significativas em seus parâmetros característicos (basicamente, os eixos, ou o eixo principal e excentricidade), e isso deve ser verdade em particular para órbitas de baixa excentricidade. Observe que isso é diferente e muito mais fraco do que a estabilidade linear mais padrão, mas é fisicamente muito mais razoável (afinal, mesmo o problema de dois corpos é linearmente instável). O que exatamente constitui uma variação significativa é deixado um tanto vago, embora na prática a transição da insignificância para a significância seja bastante abrupta e fácil de identificar.

Szebehely (1977) e seus alunos (Szebehely e Zare, 1977) examinaram o problema da estabilidade do ponto de vista da topologia das superfícies de velocidade zero de Hill. Se uma superfície de velocidade zero permanecer fechada em torno dos componentes de um sistema binário, uma pequena massa não pode escapar; se a superfície permanece fechada em torno de todo o corpo, um corpo externo não pode entrar na chamada região de interação. Se, entretanto, a superfície se abrir (Szebehely considera a primeira abertura, aquela do ponto neutro entre os componentes do binário), então existe a possibilidade de troca ou escape, e o sistema é classificado como instável. Observe que esta é uma condição suficiente para a estabilidade, mas apenas necessária para a instabilidade, em que um sistema não precisa ser realmente instável apenas porque uma superfície de velocidade zero se abre. De fato, enquanto muitas estrelas múltiplas são estáveis ​​por este teste, uma órbita planetária em um binário (o caso de uma única massa pequena, mas diferente de zero) é instável em geral. Isso pode ser um pouco pessimista.

Uma abordagem alternativa é experimental / estatística. Aqui, muitos sistemas múltiplos são integrados numericamente em um computador, cada sistema é avaliado quanto à estabilidade (geralmente qualitativamente) e os parâmetros pertinentes para estabilidade são identificados e quantificados. As desvantagens de tal abordagem são que nenhum sistema pode ser seguido por algo como uma extensão de tempo cosmológica (por causa da acumulação de erros, se nada mais) e que, uma vez que não podemos considerar todos os casos possíveis, os resultados são apenas médias empíricas. Os fatores positivos incluem um mínimo de suposições analíticas, o fato de que sistemas instáveis ​​decaem muito rapidamente e o fato de que uma conclusão estatística é tudo o que é necessário agora.

Um extenso estudo dessa natureza foi realizado por Harrington (1977), e os resultados serão apenas resumidos aqui (ver também Harrington e Harrington, 1978). Basicamente, um planeta pode ficar em uma órbita estável em um sistema binário se ficar perto de um componente (vendo a outra estrela apenas como uma influência perturbativa distante) ou bem fora do sistema (vendo as duas estrelas como aproximadamente um único objeto ) O primeiro caso ocorreria nos sistemas binários visuais, o segundo nos sistemas espectroscópicos. As proporções de distância limitantes reais dependem da excentricidade do binário se o planeta estiver próximo a um componente, no sentido relativo de revolução e fracamente na proporção de massa do binário. Uma afirmação conservadora e abrangente é que um sistema será estável se as relações de distância permanecerem acima de 4: 1.

O limite acima estabelece uma região bastante extensa em um binário (e, por extensão, em qualquer sistema múltiplo) em que as órbitas planetárias seriam bastante estáveis. se a chamada zona habitável também está dentro desta região, então o sistema é capaz de suportar um planeta com vida e é um possível candidato do SETI. Observe que todos os problemas associados à identificação da zona habitável (temperatura, variabilidade, evolução, etc.) ainda existem com estrelas múltiplas e que, se um sistema não se qualificar por outras razões, as considerações aqui são irrelevantes. No entanto, se tomarmos a definição mais simples de zona habitável, uma região onde a energia total recebida é igual à recebida de um 1 estrela em 1 UA - então todos os binários populares próximos se qualificam como possíveis alvos SETI, com exceção de Sirius e possivelmente Procyon. Na verdade, esses são todos os casos em que o planeta teria que orbitar perto de um componente, o que significa que alguns dos binários próximos podem ser alvos múltiplos em potencial.

Talvez mais séria seja a segunda questão, se os planetas poderiam se formar em sistemas estelares múltiplos. O modo atualmente aceito de formação de planetas - condensação na nebulosa proto-estelar - é atraente porque torna a formação planetária um fenômeno comum; portanto, presume-se que o que poderia acontecer em torno de estrelas isoladas também poderia acontecer em torno de componentes de um sistema múltiplo. No entanto, quando Heppenheimer (1974, 1978) estudou o problema em detalhes, suas conclusões foram pessimistas. O mecanismo básico assumido envolve uma nuvem de partículas orbitando uma estrela recém-formada e submetendo-se a colisões com uma frequência razoável. Se as velocidades de colisão relativas estão abaixo de um certo valor limite, a colisão é inelástica e as partículas se unem, eventualmente construindo corpos do tamanho de planetas.

Para uma única estrela, com todos os planetesimais em órbitas essencialmente circulares, o mecanismo funciona bem. Para um binário, as partículas orbitando um componente sofrem perturbações pelo outro componente. Essas perturbações irão, em particular, produzir aumentos seculares nas excentricidades das órbitas planetesimais, que por sua vez produzem aumentos na dispersão da velocidade. Com um conjunto de suposições razoáveis ​​sobre as condições dentro da nuvem de partículas e a natureza das próprias partículas, esta dispersão de velocidade aumentada pode elevar as velocidades de colisão relativas acima da velocidade limite para acreção. Heppenheimer conclui que, uma vez que o semi-eixo maior do binário precisa ser maior que 50 UA, a maioria dos binários próximos são de fato inadequados para a formação de planetas.

Várias considerações podem tornar a perspectiva menos sombria. Primeiro, como Heppenheimer aponta, a situação física real é mais complicada. A nebulosa proto-estrela não é uma nuvem de partículas sem massa orbitando uma massa pontual. A nebulosa tem massa e suas perturbações devem ser consideradas. Mais significativamente, a nebulosa produzirá arrasto aerodinâmico nas partículas, e isso tende a diminuir a excentricidade, compensando os efeitos do outro componente. Infelizmente, a nebulosa tem que ser bastante massiva para qualquer um desses efeitos ser significativo nos binários em consideração, provavelmente mais massiva do que pode ser razoavelmente justificado.

Outra possibilidade é que os planetas sejam criados sobre os componentes antes que os binários finais sejam formados. Agora parece bastante razoável que as estrelas se formem a partir de nuvens bastante grandes, inicialmente em aglomerados e associações soltas. Essas configurações instáveis ​​sofrem decadência dinâmica, deixando para trás a distribuição observada de estrelas únicas e múltiplas (Harrington, 1975). As energias de escape para a decadência são retiradas das energias de ligação dos múltiplos sistemas restantes, de modo que esses sistemas fechem conforme a decadência prossegue. Se as nebulosas ao redor das estrelas se contraíssem e formassem planetas antes da decadência do sistema (Larson, 1978; Kobrick e Kaula, 1979), não haveria perturbações significativas para aumentar a dispersão da velocidade dentro da nebulosa.

Finalmente, sempre existe a possibilidade de que ainda não entendamos totalmente o processo (ou processos) de formação do planeta. Na verdade, esta é a principal área de incerteza. Se a imagem de Goldreich e Ward (1973) da formação dos planetas estiver basicamente correta, e se as várias suposições sobre as condições nebulares empregadas por Heppenheimer estiverem corretas, então é difícil reconciliar a existência de planetas em estrelas múltiplas. No entanto, há incertezas consideráveis ​​nessas suposições, o que tornaria prematuro descartar vários sistemas como possíveis localizações de planetas. Na verdade, uma determinação observacional do número relativo de planetas em torno de estrelas únicas e múltiplas faria muito para colocar limites empíricos sobre os possíveis mecanismos de formação de planetas.

Fonte: NASA / 07-06-2021     

https://history.nasa.gov/CP-2156/ch2.5.htm

Obrigado pela sua visita e volte sempre!

                      

Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.

Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.

Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.

Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.

e-mail: heliocabral@coseno.com.br

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Page: http://livroseducacionais.blogspot.com.br


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