Title: Sobre as Taxas de Rotação Terminal dos Planetas Gigantes (pdf)
Autor: Konstantin Batygin (que entrevistamos em Maio passado)
Primeira Instituição do Autor: Instituto de Tecnologia da Califórnia
Status: Aceite em AJ
p> Boa sorte a dormir em Júpiter! Este gigante de gás humongo gira mais depressa do que qualquer outro planeta do Sistema Solar, completando um dia em menos de 10 horas! Se emigrasse da Terra para o maior planeta do nosso sistema solar e ainda tivesse como objectivo obter as 8 horas diárias de sono recomendadas para adultos, isso deixá-lo-ia com menos de duas horas por dia para comer, fazer exercício, e estudar astrofísica. Isso não é quase tempo suficiente! Os futuros habitantes das cidades nebulosas de Júpiter não devem queixar-se, no entanto.
Quando Júpiter se formou, aumentou a sua atmosfera (mais de 95% da massa total do planeta!) a partir do hidrogénio e do gás hélio no disco protoplanetário que rodeia o nosso Sol. Como Júpiter consumiu esta massa de gás, deve ter começado a girar mais rapidamente, uma vez que também consumiu o impulso angular do gás. Eventualmente, alcançaria a velocidade de ruptura, que é definida como o ponto em que as camadas superiores da atmosfera giram tão rapidamente como um objecto se fosse colocado em órbita em torno do planeta próximo da superfície. A estas velocidades, Júpiter não poderia rodar mais rapidamente. Ingenuamente, seria de esperar que Júpiter continuasse a rodar tão rapidamente hoje em dia. Contudo, se calcularmos o período de rotação de Júpiter com base na sua velocidade de rotura, obtemos que um dia Joviano não deveria sequer durar 3 horas!
Realmente, os habitantes de Júpiter deveriam estar gratos por algo ter sido capaz de abrandar a rotação do planeta o suficiente para poderem ver os primeiros quatro filmes de Harry Potter num só dia, em vez de apenas um deles. Mas o quê?
Há muito que sabemos que Saturno também gira muito mais lentamente do que a sua velocidade de ruptura (11 horas em comparação com 4 horas). E como Eckhart resumiu na sua astrobite de Dezembro, sabemos agora que os exoplanetas gigantes a gás também rodam mais lentamente do que o esperado. No jornal de hoje, Konstantin Batygin tenta resolver este enigma generalizado com a solução que as pessoas mais esperariam: O campo magnético de Júpiter.
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Júpiter e Saturno não são os únicos objectos no Sistema Solar sujeitos a este mistério. Quando o Sol se formou, também acreteu gás hidrogênio do disco que o rodeava. Como resultado, esperaríamos naturalmente que o Sol rodasse ainda mais depressa do que Júpiter. No entanto, um dia solar dura quase um mês, de alguma forma deixando o Sol com apenas cerca de 1% do momento angular do Sistema Solar – embora tenha mais de 99% da massa!
Uma forma de o Sol, ou qualquer objecto, perder o momento angular é atirar para fora algum do seu material. A principal explicação para que estrelas como o Sol girem por este caminho chama-se travagem magnética. Neste processo, o vento solar transporta o material para fora da superfície tal como o faz hoje. Então, algum desse material ficará preso nas linhas do campo magnético do Sol, que o expulsam ainda mais para fora do Sol – levando consigo um pedaço significativo do momento angular do Sol. Para conservar o momento angular, o Sol terá de abrandar a velocidade com que gira. Os planetas gigantes de gás também podem fazer isto?
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Júpiter não é bem o mesmo que uma estrela. Não tem vento solar, pelo que não pode simplesmente atirar material para fora. Contudo, pesquisas recentes sobre como os gigantes de gás acentuam as suas atmosferas podem oferecer uma ideia alternativa.
Enquanto costumávamos assumir que Júpiter acumulava gás directamente no seu equador, as simulações modernas mostram que na realidade deveria ter recolhido gás de cima do seu “Pólo Norte” (e abaixo do seu “Pólo Sul”). Como mostra a Figura 1, nem todo o material é comido por Júpiter. Parte dele é desviado para fora para um disco em volta de Júpiter – chamado disco circunplanetário. O disco derrama então esse material de volta para o disco maior à volta da estrela – o disco protoplanetário de onde veio. Isto compensa o facto de Júpiter não ter vento solar e dá-lhe uma forma de lançar material e impulso angular.
Figure 1. Diagrama de concepção da travagem magnética para um planeta em crescimento do tamanho de Júpiter. {A} O planeta pode acumular gás hidrogénio na sua atmosfera directamente do disco azul protoplanetário em torno da estrela (não o disco em torno do planeta!). Este gás segue as setas de fluxo meridional em direcção ao “Pólo Norte” do planeta. {B} O resto do hidrogénio é desviado para o disco laranja em redor do planeta. O planeta também pode acumular mais algum gás deste disco laranja (especificamente, as camadas superior e inferior). Contudo, a maior parte do disco cor-de-laranja (as camadas do meio) irá derramar para fora, seguindo as setas brancas através da região vermelha – conduzindo-o de volta para o disco azul em torno da estrela onde começou. O facto de o gás ser expelido completamente para fora do disco em redor do planeta torna possível que o planeta seja submetido a uma travagem magnética. Fig. 2 do papel (por James Keane).
Fim mais lento (devido à travagem magnética), depois mais rápido (devido à contracção gravitacional)
Figure 2 mostra a evolução do período de rotação de Júpiter (isto é, a duração do seu dia) após a sua formação, com e sem travagem magnética. Em ambos os modelos, Batygin assume que Júpiter começa com o dobro do raio antes que a gravidade o faça contrair até à sua dimensão actual em cerca de 1 Myr. Ele também assume que o planeta começa a rodar à velocidade de ruptura (cerca de 8 horas).
Sem qualquer abrandamento, Júpiter simplesmente acelera à medida que o planeta se contrai, a fim de conservar o momento angular. Mas com a travagem magnética, Júpiter primeiro gira para um período de rotação de 36 horas em cerca de 25.000 anos. Depois, a contracção gravitacional volta a girar até um período de rotação de 9 horas quando atinge o seu raio actual – bastante próximo do seu actual período de rotação de 9 horas e 56 minutos!
Figure 2. O período de rotação de Júpiter nos primeiros 2 Myr após a sua formação. Sem travagem magnética (ouro), roda à velocidade de ruptura, que se torna mais rápida à medida que o planeta encolhe em tamanho. Com a quebra magnética (azul), Júpiter gira primeiro para baixo, deixando-o com aproximadamente o período de rotação correcto no momento em que se contrai para o seu tamanho actual. Fig. 3 do artigo.
Agora que o modelo deste artigo demonstrou que a travagem magnética pode levar a uma velocidade de rotação mais ou menos correcta para Júpiter (e Saturno também), Batygin espera que o trabalho futuro explore aspectos mais meticulosos do problema relacionado com a magnetohidrodinâmica (MHD), tanto com uma abordagem analítica (como com as equações deste artigo) como também com simulações (que não foram utilizadas directamente neste modelo).
Os astrofísicos que vivem em Júpiter ou em exoplanetas gigantes de gás noutros sistemas estelares terão muito mais tempo por dia para investigar este problema. E poderão ter ambos campos magnéticos e como estes planetas acentuaram as suas atmosferas para agradecer.
- Sobre o Autor
Sobre Michael Hammer
Sou estudante de pós-graduação na Universidade do Arizona, onde estou a trabalhar com Kaitlin Kratter na simulação de planetas, vórtices, e outros fenómenos em discos protoplanetários. Sou de Queens, NYC; mas não sou o Homem-Aranha…