Luas podem ter luas?

Título: Can Moons Have Moons?

Autores: Juna Kollmeier, Sean Raymond

Instituição do primeiro autor: Observatories of the Carnegie Institution of Washington, EUA

Status: publicado no MNRAS [acesso aberto no astro-ph]

Nosso Sistema Solar tem mais de 200 luas (com mais sendo descobertas!). Contudo, mesmo depois de séculos de observações, nunca encontramos uma lua que tenha sua própria lua. Os autores do artigo de hoje investigam o que é necessário para que uma lua possa ter sua própria lua, ou uma sub-lua.

Para que uma lua orbite um planeta (ou, neste caso, outra lua) de forma estável, é preciso que ela esteja em uma região bem particular, entre a esfera de Hill e o limite de Roche do planeta. A esfera de Hill é a área ao redor de um corpo celeste em que a força gravitacional dominante é aquele do próprio corpo, e não de algum outro objeto externo. Por exemplo, considerando o sistema Sol-Terra-Lua, a Lua encontra-se dentro da esfera de Hill da Terra, o que significa que a força gravitacional da Terra sobre a Lua é mais forte do que a do Sol. O limite de Roche, por sua vez, é a distância mínima que um satélite pode orbitar sem ser destruído por forças de maré. Essas forças ocorrem porque a força da gravidade é mais intensa no lado do objeto que está mais próximo do planeta do que no lado mais distante. Os anéis de Saturno, por exemplo, são possivelmente luas que chegaram muito perto do planeta e foram destruídas por forças de maré. A região onde corpos podem orbitar intactos ao redor de um planeta ou lua é então similar à zona habitável, ou seja, trata-se de uma região entre dois raios ao redor de um corpo celeste onde certas condições são satisfeitas.

Figura 1. A esfera de Hill e o limite de Roche da Terra. Créditos: ScienceABC.

A Figura 1 ilustra o intervalo de possíveis órbitas para a Lua entre a esfera de Hill e o limite de Roche da Terra. Objetos mais massivos possuem esferas de Hill maiores, já que têm forças gravitacionais mais intensas. Isso implica que, ao redor desses corpos, existe uma região maior em que se podem ter luas com órbitas estáveis. É por isso que gigantes de gás como Júpiter e Saturno possuem tantas luas. Para que luas possam ter sub-luas, elas precisam estar a uma distância relativamente grande do planeta hospedeiro, de modo que a força gravitacional do planeta não seja tão intensa; caso contrário, a esfera de Hill da lua seria muito pequena (em outras palavras, a força gravitacional do planeta seria muito forte comparada à da lua).

O objetivo dos autores do artigo de hoje foi mapear o intervalo de raios em que uma sub-lua poderia ter uma órbita estável em um dado sistema planeta/lua/sub-lua. A Figura 2 ilustra a situação para as luas do Sistema Solar, separadas por planeta hospedeiro, e graficadas por tamanho da lua em função da distância do planeta hospedeiro. A região hachurada no canto superior direito é a zona em que a lua poderia hospedar uma sub-lua com raio de 10km de forma estável. Os limites para sub-luas com raios de 5km a 20km são também indicados por uma linha pontilhada e uma linha tracejada, respectivamente. Essa zona foi calculada relacionando uma massa fixa de uma sub-lua teórica com propriedades características da lua hospedeira. Uma dessas propriedades é o fator de qualidade das marés da lua, Qmoon, que é um indicador do quanto uma certa densidade reage a forças de maré. Corpos rochosos tipicamente têm Qmoon = 100, enquanto estrelas apresentam Qmoon da ordem de um milhão.

Figura 2: gráfico ilustrando a região de estabilidade para sub-luas com raio de 10 km (em cinza) para diferentes luas do nosso Sistema Solar (os pontos pretos), e para a lua do exoplaneta Kepler-1625. Figura 1 do artigo.

De todas as luas do nosso Sistema Solar, os autores encontraram que as únicas capazes de possuir sub-luas são Calisto (Júpiter), Titã e Jápeto (Saturno) e a própria Lua da Terra. Os autores também analisaram o planeta Kepler-1625b e encontraram que a sua possível lua (cuja existência ainda é incerta) também poderia hospedar uma sub-lua.

A Figura 3 considera especificamente Kepler-1625b e como o tamanho de uma sub-lua e o fator de qualidade da maré, Qmoon, afetariam sua órbita ao redor da lua. No gráfico à esquerda, as linhas coloridas indicam sub-luas com a massa de diferentes corpos celestes; sub-luas dessas massas teriam uma órbita estável para a direita e acima da curva indicada. No gráfico à direita, as linhas coloridas indicam diferentes valores de Qmoon. O gráfico da esquerda manteve Qmoon em um valor constante igual a 1000, enquanto o gráfico da direita manteve a massa constante igual à de Ceres. As figuras revelam que sub-luas menores são estáveis em uma faixa mais ampla de tamanhos de lua e distância de seu planeta hospedeiro, e que uma Qmoon maior é igual a um “espaço de sobrevivência” maior.

Figura 3: como o tamanho de uma sub-lua (esquerda) e valor de Qmoon (direita) afetam potenciais órbitas em que uma lua poderia abrigar uma sub-lua. Figura 2 no artigo.

Uma questão permanece: se todas essas luas são de fato capazes de hospedar sub-luas, por que não encontramos nenhuma? Existem diversas possíveis razões. Primeiramente, existem fatores que poderiam causar instabilidade na órbita que não foram levados em conta pelos autores. No caso específico da nossa Lua, as órbitas ao redor da Lua estão sujeitas a perturbações causadas pelo Sol e pela Terra. Essas perturbações restringem ainda mais a região em que uma sub-lua poderia ter uma órbita estável. Além disso, sub-luas podem ter se formado ao redor de algumas luas, mas foram desde então perdidas. A lua Jápeto é um caso específico: ela possui uma crista ao redor do seu equador, que poderia ter sido formada por dejetos de uma sub-lua que foi perdida devido a forças de maré.

Em resumo, é mais provável que uma sub-lua tenha uma órbita estável em torno de grandes luas que estão distantes de seu planeta hospedeiro. Existem muitos fatores que podem afetar o espaço de sobrevivência de uma sub-lua, de forma que, embora não tenhamos visto nenhuma sub-lua ainda, isso não significa que não seja possível. Talvez as encontremos no futuro!


Adaptado de A Moon’s Moon?!, escrito por Ciara Johnson.

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