Entre as mais de 4.500 estrelas planetárias conhecidas, destaca-se um padrão surpreendente. Embora se espere que os planetas se formem em torno da maioria das estrelas, e muitas estrelas existam aos pares, os mundos que orbitam duas estrelas são extraordinariamente raros.
Dos mais de 6.000 exoplanetas confirmados até o momento (a maioria descobertos pelo telescópio espacial Kepler da NASA e pelo Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS)), apenas 14 foram encontrados orbitando estrelas binárias. Com base nas expectativas, os astrônomos acreditam que deveriam haver centenas. Então, onde está a versão real de Star Wars Tatooine?
Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, e da Universidade Americana de Beirute chegaram agora a uma resposta que aponta para a teoria da relatividade geral de Einstein.
Como a gravidade molda as órbitas de sistemas estelares binários
Em um sistema estelar binário típico, duas estrelas de massas ligeiramente diferentes orbitam uma à outra ao longo de trajetórias alongadas ou elípticas. Os planetas que orbitam duas estrelas experimentam atracções gravitacionais concorrentes, fazendo com que as suas órbitas rodem lentamente, ou precessem, como um pião que oscila sob a influência da gravidade.
As próprias estrelas também experimentam precessão, mas por razões diferentes. Seu movimento é influenciado pela teoria geral da relatividade. Com o tempo, as forças de maré entre as duas estrelas aproximam-nas gradualmente. À medida que a órbita diminui, a precessão da estrela acelera, enquanto a velocidade de precessão do planeta diminui.
Eventualmente, as duas taxas podem se alinhar no que os cientistas chamam de ressonância. Quando isso acontece, a órbita do planeta torna-se alongada e instável. Ele se afasta mais em um ponto e se aproxima em outro.
“Duas coisas podem acontecer: ou o planeta fica muito, muito próximo do sistema binário e é perturbado pela maré ou engolfado por uma das estrelas, ou a sua órbita é significativamente perturbada pelo sistema binário e acaba por ser ejetado do sistema,” disse Mohammad Farhat, pesquisador de pós-doutorado da Miller na UC Berkeley e principal autor do artigo. “Em ambos os casos, você se livra do planeta.”
Isso não significa que as estrelas binárias sejam completamente desprovidas de planetas. Essas órbitas restantes tendem a estar mais distantes umas das outras, tornando-as difíceis de detectar com os métodos de trânsito atualmente usados pelo Kepler e pelo TESS.
“Definitivamente existem planetas por aí. Eles são apenas difíceis de detectar com os instrumentos existentes”, disse o co-autor do estudo Jihad Touma, professor de física na Universidade Americana de Beirute.
A equipe relatou seus resultados Comunicações do Jornal Astrofísico.
‘Desertos’ planetários em torno de binários rígidos
Tanto o Kepler como o TESS detectam planetas medindo a pequena queda na luz estelar à medida que o planeta passa em frente da sua estrela. Kepler também descobriu cerca de 3.000 sistemas estelares binários eclipsantes, nos quais uma estrela passa periodicamente na frente da outra.
Como cerca de 10% das estrelas semelhantes ao Sol têm planetas grandes, os cientistas esperam uma proporção semelhante em torno de estrelas binárias, cerca de 300 sistemas. Em vez disso, apenas 47 candidatos a planetas foram descobertos e apenas 14 foram confirmados como planetas orbitando duas estrelas.
Vale a pena notar que nenhum destes planetas confirmados orbita uma estrela binária muito próxima e pode completar um ciclo completo em cerca de 7 dias.
“No geral, existem muito poucos planetas orbitando binários, e binários com períodos orbitais de sete dias ou menos são desertos absolutos”, disse Farhat. “A grande maioria dos binários eclipsantes são binários compactos e são exatamente os sistemas que mais esperaríamos encontrar em trânsito de planetas binários.”
Os sistemas estelares binários também contêm o que os cientistas chamam de regiões instáveis, áreas onde as órbitas planetárias não podem permanecer estáveis. Nesta região, os efeitos gravitacionais combinados das duas estrelas expulsam os planetas do sistema ou puxam-nos para dentro até serem destruídos.
Curiosamente, 12 dos 14 planetas binários conhecidos orbitam fora desta região instável. Isto sugere que eles podem ter se formado mais longe e depois migrado para dentro, pois seria extremamente difícil formar-se perto da fronteira.
“Os planetas se formam de baixo para cima, colando planetesimais de pequena escala. Mas formar um planeta à beira de uma zona instável é como tentar colar flocos de neve em um furacão”, disse ele.
O papel de Einstein na limpeza do planeta
Dang Ma suspeita há muito tempo que a relatividade geral pode afectar o comportamento dos planetas em sistemas estelares binários, embora ainda não esteja claro quão forte é este efeito. À medida que as estrelas binárias se aproximam lentamente ao longo do tempo, os efeitos relativísticos tornam-se mais importantes.
Através de cálculos matemáticos detalhados e simulações de computador, os investigadores demonstraram que estes efeitos podem remodelar dramaticamente os sistemas planetários. Os seus resultados sugerem que cerca de oito em cada 10 planetas que orbitam binários próximos se tornarão instáveis, com a maioria deles eventualmente sendo destruída.
A física por trás da precessão orbital
A relatividade geral, proposta por Albert Einstein em 1915, descreve a gravidade como a curvatura do espaço-tempo causada pela massa, semelhante à forma como os objetos pesados se torcem e esticam as superfícies. Uma das primeiras demonstrações veio da órbita de Mercúrio, que varia um pouco mais do que as leis de Newton podem explicar.
Um processo semelhante ocorre em estrelas binárias. Estes sistemas normalmente começam como estrelas distantes umas das outras, mas ao longo de dezenas de milhões de anos as interações com o gás circundante aproximam-nas gradualmente. Ao longo de bilhões de anos, as forças das marés diminuíram a órbita.
À medida que as estrelas se aproximam, o seu movimento orbital muda mais rapidamente, inclusive nos pontos mais próximos, chamados periapsis. Ao mesmo tempo, um planeta orbitando duas estrelas também experimenta precessão, embora neste caso seja impulsionado pela gravidade clássica.
À medida que o sistema binário se estreita, a precessão do planeta diminui e a precessão da estrela acelera. Quando as duas taxas coincidem, ocorre uma ressonância e a órbita do planeta torna-se cada vez mais alongada.
Assim que o ponto mais próximo da órbita entra na zona de instabilidade, o planeta é lançado para fora ou puxado para dentro e destruído. Este processo desenrola-se de forma relativamente rápida em escalas de tempo cósmicas, o que ajuda a explicar porque é que os planetas em torno de binários estreitos são raramente observados.
“Um planeta preso em ressonância encontra a sua órbita deformando-se para excentricidades cada vez mais altas, precessando cada vez mais rápido, enquanto se alinha com a órbita da estrela binária em encolhimento”, disse Damma. “No seu caminho, encontra uma região instável em torno da estrela binária, onde o efeito de três corpos entra em ação e limpa a região.”
“A forma como a natureza forma estes binários compactos, estes binários de menos de sete dias, permite-nos livrar-nos da Terra naturalmente, sem causar interferência adicional de estrelas próximas ou de outros mecanismos”, disse Farhat.
Ter um impacto mais amplo em todo o universo
Segundo Touma, esses mesmos processos poderiam remover vários planetas de sistemas binários, especialmente aqueles que poderiam ser detectados por missões como Kepler ou TESS.
A equipa está agora a alargar o seu modelo para explorar como a relatividade afecta os aglomerados estelares em torno de pares de buracos negros supermassivos. Eles também estão investigando se mecanismos semelhantes poderiam ajudar a explicar a falta de planetas em torno de pulsares binários, pares de estrelas de nêutrons que giram rapidamente e que emitem pulsos regulares de ondas de rádio.
As descobertas destacam como as teorias de Einstein continuam a moldar a nossa compreensão do universo, mesmo em sistemas que antes se pensava serem bem explicados pela física clássica.
“Curiosamente, quase um século depois dos cálculos de Einstein, simulações de computador mostram como os efeitos relativísticos salvaram Mercúrio de se espalhar caoticamente para fora do sistema solar. Aqui vemos os efeitos associados da perturbação dos sistemas planetários”, disse Touma. “A relatividade geral estabiliza os sistemas em alguns aspectos e os perturba em outros.”
Farhat é apoiado pelo Miller Institute of Science da UC Berkeley.
