O segredo para um relacionamento estável no cinturão de Kuiper

Título: Binary survival in the outer solar system

Autores: David Nesvorný and David Vokrouhlický

Instituição do primeiro autor: Southwest Research Institute, EUA

Status: aceito para publicação no Icarus [acesso aberto]

Cada objeto no cinturão de Kuiper é um sobrevivente. Esses objetos sobreviveram a colisões com seus vizinhos, ou a encontros com planetas, que podem desviar sua órbita para longe do Sistema Solar. Os mais sortudos acretaram poeira de seus vizinhos despedaçados, ou usaram encontros com planetas para atingir uma órbita estável. A maioria dos muitos sobreviventes passa por esse processo de forma solitária.

Contudo, um pequeno número de objetos no cinturão de Kuiper (ou KBOs, do inglês Kuiper Belt Object) anda em pares, orbitando o centro de massa do sistema binário. Esses objetos binários podem ter massas similares entre si, ou consistir de uma pequena pedrinha orbitando um pedregulho. Astrônomos estudam objetos no cinturão de Kuiper em parte porque seus padrões de sobrevivência podem nos dar pistas sobre as condições nos primórdios do Sistema Solar; objetos binários são uma parte desse quebra-cabeça.

Dois tipos de binárias

KBOs binários conhecidos dividem-se basicamente em duas populações: KBOs clássicos frios, e KBOs quentes. “Frio” e “quente” na realidade se refere ao tipo de órbita desses objetos, não necessariamente à sua temperatura. KBOs clássicos frios têm órbitas estáveis, portanto previsíveis, e formaram-se onde os observamos hoje, sem que suas órbitas tenham sido significativamente perturbadas por planetas. KBOs quentes têm órbitas caóticas, como um gás quente, e formaram-se mais próximo do Sol. Eles tiveram sorte em sobreviver a encontros com planetas e à sua inserção no cinturão de Kuiper durante as primeiras centenas de milhões de anos do Sistema Solar.

Figura 1: propriedades de KBOs binários. aB/RB é a razão entre o semi-eixo maior da órbita e um valor relacionado ao tamanho dos asteroides, RB3 = R13 + R23, onde R1 e R2 são os raios de cada um dos asteroides. Uma valor de R2/R1 maior que 0.5 indica objetos com tamanhos comparáveis. KBOs clássicos frios (em vermelho) dominam as binárias com objetos similares, enquanto KBOs quentes (em azul) dominam binárias com objetos com tamanhos significativamente distintos. Verde e preto indicam outros tipos de objetos. Figura 2 no artigo.

A Figura 1 mostra uma diferença entre KBOs quentes e frios. KBOs binários cujos objetos têm tamanhos similares estão próximo ao topo do gráfico, e binários com uma grande separação entre os componentes estão mais para a direita. Nota-se que todos KBOs clássicos frios (em vermelho) estão próximo ao topo, indicando que eles têm componentes com tamanhos comparáveis, enquanto KBOs quentes tendem a ter tamanhos dissimilares entre as suas componentes.

Um jogo de queimada

O objetivo da pesquisa apresentada no artigo de hoje é simular a história de KBOs binários para determinar como cada população evolui, fornecendo pistas sobre a evolução do Sistema Solar como um todo. Conforme mais binários forem descobertos, uma melhor estatística poderá ser então utilizada para estimar as reais condições nos primórdios do Sistema Solar.

Os autores começam realizando uma simulação que calcula a posição de cada objeto orbitando o sol e registra encontros entre objetos e planetas. Podemos pensar nisso como um jogo de queimada: o simulador conta quantas vezes cada KBO binário é atingido. Contudo, diferente de um jogo de queimada, apenas uma passagem próximo ao planeta pode ser suficiente para tirar um KBO binário da jogada.

Figura 2: resultado da simulação mostrando a fração de binárias que sobrevive, se separa, ou colide em função de aB/RB. Binárias próximas têm uma maior taxa de sobrevivência que binárias distantes, enquanto colisões têm sempre baixa probabilidade de ocorrência. Figura 3 no artigo.

Com uma lista desses encontros ao longo da história do sistema solar, os autores então fazem uma segunda simulação, que determina o resultado de cada encontro. Existem três possibilidades. 1) O KBO binário sobrevive e encontra outra órbita estável; 2) O KBO binário é destruído por colidir entre si ou com um planeta; 3) As componentes do KBO binário são separadas para sempre. A Figura 2 mostra o resultado dessa simulação, que indica que KBOs binários próximos têm uma taxa de sobrevivência muito maior que binários com uma grande separação.

O resultado dessas simulações é uma previsão da fração de KBOs binários criados nos primórdios do Sistema Solar que poderiam ter sobrevivido até hoje. O último passo do artigo foi comparar essa previsão com o que observamos atualmente.

Para fazer essa comparação, os autores assumiram que os KBOs clássicos frios têm as mesmas características de quando foram criados, já que eles nunca se aproximaram o suficiente de planetas para serem alterados. Os KBOs quentes, por outro lado, sofreram diversos encontros e colisões. Os autores então simularam como eles mudariam de acordo com os encontros descritos na Fig. 2, obtendo um modelo que é comparado com os KBOs conhecidos na Fig. 3.

Figura 3: distribuição cumulativa de KBOs quentes em azul, clássicos frios em vermelho, e o modelo calculado para descrever a sobrevivência de KBOs quentes em verde. O modelo deveria descrever bem os KBOs quentes, mas há grande discrepância, especialmente para aB/RB > 100. Figura 13 no artigo.

Curiosas binárias distantes

A Figura 3 indica que o modelo descreve bem a população de KBOs quentes até por volta de aB/RB = 100. O modelo prevê que 95% dos KBOs quentes deveriam ter aB/RB = 100, mas isso ocorre para apenas 80% dos KBOs conhecidos. Os autores concluem que o modelo faz um bom trabalho explicando binárias próximas, mas subestima a taxa de sobrevivência de binárias distantes.

Há muitas explicações possíveis para esse resultado. A mais simples é que a classificação entre “frio” e “quente” pode ser muito simplória para contemplar o que de fato está acontecendo no cinturão de Kuiper. Os autores esperam que estudos futuros e mais observações de KBOs clarifiquem isso. Outra possibilidade é que os planetas formaram-se muito mais próximo do Sol, conforme sugerido por algumas teorias, o que, se correto, alteraria as interações entre KBOs binários e planetas que foram utilizadas nas simulações.

A dura realidade é que há muito que não sabemos sobre a história do Sistema Solar. O melhor que podemos fazer é utilizar as pistas que temos para montar o quebra-cabeças aos poucos, e o artigo de hoje destaca a binariedade de objetos no cinturão de Kuiper como uma importante peça que deve encaixar em estudos futuros. Conforme telescópios mais poderosos são desenvolvidos, o papel da binariedade de KBOs em contar a história do Sistema Solar deve ficar mais claro.


Adsaptado de The Secret to a Steady Relationship in the Kuiper Belt, escrito por Will Saunders

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