Júpiter pode ter tido uma colisão frontal com um protoplaneta massivo
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Júpiter pode ter tido uma colisão frontal com um protoplaneta massivo

Explicaria a estranha distribuição de material encontrada pelo orbitador Juno.

 

Discos formadores de planeta começam como uma mistura de poeira e gás, mas o gás não fica por muito tempo. À medida que a estrela em seu centro se inflama, a radiação que ela emite começa a expelir o gás, deixando um disco com nada além de poeira. Isso cria uma janela estreita para a formação de gigantes gasosos, que precisam crescer o suficiente para começar a varrer o gás antes que a estrela afaste tudo.

Nossos modelos atuais sugerem que a melhor maneira de fazer isso é começar com um corpo sólido grande, cerca de 10 vezes a massa da Terra. Isso é grande o suficiente para atrair gás rapidamente e iniciar um processo de fuga pelo qual a massa cada vez maior puxa mais material de mais longe no disco. Isso sugeriria que, enterrado bem abaixo das nuvens e camadas de hidrogênio metálico em Júpiter, há um núcleo sólido que superaria a Terra se fosse despojado de todo o material acima dele.

Entre outras coisas, a missão Juno pretendia testar essa ideia estudando o campo gravitacional do planeta gigante. Mas os dados que estão enviando de volta sugerem que algo estranho está acontecendo dentro de Júpiter, com material mais pesado fora da área central imediata do que esperávamos. Agora, uma equipe internacional de pesquisadores está fornecendo uma explicação possível: o núcleo de Júpiter foi quebrado por uma colisão frontal com um protoplaneta em massa.

O que está abaixo

Nós obviamente não podemos imaginar diretamente o que está acontecendo dentro de Júpiter. Em vez disso, temos que descobrir o que há com base em inferências feitas a partir do campo gravitacional do planeta. E Juno foi a primeira sonda projetada especificamente para melhorar nossa compreensão desse campo gravitacional. Enquanto outros dados ainda estão chegando, uma análise preliminar sugere que uma explicação para o que estamos vendo é que o planeta tem um núcleo que o novo documento descreve como “diluído”. Em vez de o material sólido e pesado estar concentrado no núcleo, alguns dos elementos mais pesados ​​parecem se espalhar amplamente pelo interior do planeta, chegando até a metade da superfície do planeta.

Como isso aconteceu não é nada claro, dado que achamos que o único caminho para um planeta como Júpiter acontecer é começar com um núcleo sólido. É possível que mais dados do Juno indiquem que um núcleo difuso é improvável. Alternativamente, nossos modelos de formação planetária podem estar errados. Mas os pesquisadores começam com a premissa de que tudo está correto e que há algo inesperado acontecendo no interior de Júpiter.

Uma opção é que a camada de hidrogênio metálico de Júpiter tenha gradualmente erodido o núcleo, mas não sabemos se o hidrogênio metálico é capaz disso ou como elementos mais pesados ​​se misturariam nele. Em vez disso, os autores consideram a possibilidade de que o núcleo de Júpiter tenha sido rompido por uma colisão, muito parecida com a que formou o sistema Terra-Lua – embora completamente diferente dele em escala.

As colisões poderiam ser impulsionadas pela própria formação de Júpiter. Um núcleo com 10 massas terrestres é apenas cerca de 5% da massa final de Júpiter, e o processo de fuga que o cercava de gás teria aumentado sua atração gravitacional por um fator de 30 em menos de um milhão de anos. Qualquer outro corpo próximo poderia ser arrastado para uma colisão. E como o núcleo de Júpiter é formado por uma série de colisões entre corpos menores, há uma chance razoável de haver algo próximo que possa sofrer uma colisão.

Para testar essa ideia, os pesquisadores realizaram um grande número de simulações do antigo Sistema Solar, variando a configuração precisa de Júpiter e de quaisquer corpos orbitais próximos. Eles descobriram que em muitas dessas simulações, o crescimento de Júpiter fazia com que qualquer coisa próxima cruzasse órbitas, freqüentemente resultando em colisões. Por causa da imensa atração de Júpiter, a maioria das colisões acabou sendo de frente, enviando o protoplaneta diretamente para o núcleo de Júpiter.

Quebra de núcleo

Eles então se voltaram para um conjunto diferente de simulações, observando o que aconteceu com o núcleo de Júpiter como resultado. Os detalhes exatos dependem do tamanho do que atinge Júpiter e do tamanho do planeta gigante no momento do impacto. A simulação que eles correram em detalhes envolve Júpiter sendo executado por um núcleo de oito massas terrestres cercado por duas massas de gás da Terra. Objetos menores, incluindo protoplanetas do tamanho da Terra, se desintegrariam na atmosfera antes de atingir o núcleo.

Apesar da escala impressionante desta colisão, apenas adiciona uma pequena quantidade à energia total entregue a Júpiter durante a sua formação. Mas isso muda a energia do próprio núcleo, que começa a oscilar. E a convecção começa a elevar os produtos dessas oscilações para o envelope do planeta. Em questão de poucos dias, Júpiter se instala em um estado em que seu núcleo é difuso e se estende quase até a metade da superfície do planeta.

Instantâneos da simulação de colisão.
Ampliar / Snapshots da simulação de colisão.
Universidade de Shang-Fei Liu / Sun Yat-sen

É claro que esse evento ocorreu há mais de quatro bilhões de anos, e teria que ter permanecido estável para que o tempo de intervenção fosse detectado por Juno. Os pesquisadores descobriram que isso era possível se a temperatura interna de Júpiter estabilizasse em 30.000 Kelvin. Qualquer mais quente e convecção se torna alta o suficiente para eliminar o gradiente entre o núcleo e seus arredores, o que estabiliza a presença de material mais pesado acima do núcleo. Qualquer resfriador e convecção não é forte o suficiente, e material mais pesado volta ao núcleo.

Como a maioria dos planetas é construída por múltiplas colisões entre protoplanetas e corpos menores, os autores acham que vale a pena explorar se os núcleos difusos poderiam ser uma característica comum dos gigantes gasosos. Houve um número de exoplanetas gigantes que parecem ter alto teor de metais em suas atmosferas, o que pode ser o produto de eventos similares.

Não há nenhuma maneira óbvia de testar essas coisas no momento, e ainda há uma chance de que dados adicionais do Juno sugiram explicações alternativas. Mas se a idéia se sustentar, os cientistas planetários, sem dúvida, começarão a considerar as implicações dessas colisões e poderão apresentar alguma indicação evidente das marcas que deixam em gigantes gasosos.

Nature , 2019. DOI: 10.1038 / s41586-019-1470-2 ( Sobre o DOI ).

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