Das mais de 4.500 estrelas conhecidas que contêm planetas, destaca-se um padrão impressionante. Espera-se que os planetas se formem em torno da maioria das estrelas e muitas estrelas existam aos pares. Os mundos que orbitam ambas as estrelas são extraordinariamente raros.
Entre os mais de 6.000 planetas extrasolares ou exoplanetas confirmados descobertos até agora – a maioria pelo Telescópio Espacial Kepler da NASA e pelo Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) – apenas 14 foram vistos orbitando estrelas binárias. Com base nas expectativas, os astrônomos pensaram que deveria haver centenas deles. Então, onde estão as versões reais de Tatooine em Star Wars?
Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley e da Universidade Americana de Beirute oferecem agora uma resposta, que aponta para a teoria da relatividade geral de Einstein.
Como a gravidade molda as órbitas em sistemas estelares binários
Num sistema binário típico, duas estrelas com massas ligeiramente diferentes orbitam uma à outra em órbitas alongadas ou elípticas. Um planeta orbitando ambas as estrelas experimenta uma atração gravitacional competitiva que faz com que sua órbita gire ou precesse lentamente, como um cata-vento oscila sob a influência da gravidade.
As próprias estrelas também sofrem precessão, mas por uma razão diferente. Seu movimento é afetado pela relatividade geral. Com o tempo, as forças de maré entre as duas estrelas aproximam-nas gradualmente uma da outra. À medida que a sua órbita diminui, a precessão das estrelas acelera e a precessão do planeta diminui.
Eventualmente, essas duas velocidades podem se alinhar no que os cientistas chamam de ressonância. Quando isso acontece, a órbita do planeta torna-se esticada e instável. Num ponto ele oscila mais e em outro ele mergulha muito mais perto.
“Duas coisas podem acontecer: ou o planeta chegará muito, muito perto do sistema binário, sofrendo perturbações das marés ou sendo absorvido por uma das estrelas, ou a sua órbita será significativamente perturbada pelo sistema binário e eventualmente ejetado do sistema,” disse Mohammad Farhat, estudante de doutoramento de Miller na UC Berkeley e primeiro autor do artigo. “Em ambos os casos, você está se livrando do planeta.”
Isso não significa que as estrelas binárias sejam completamente desprovidas de planetas. Aqueles que permanecem tendem a orbitar muito mais longe, tornando-os difíceis de detectar com os atuais métodos de trânsito usados pelo Kepler e pelo TESS.
“Definitivamente existem planetas por aí. Só que são difíceis de detectar com instrumentos modernos,” disse o co-autor Jihad Touma, professor de física na Universidade Americana de Beirute.
A equipe relatou seus resultados em Cartas de diários astrofísicos.
“Deserto” planetário em torno de estrelas binárias próximas
Tanto o Kepler como o TESS detectam planetas medindo pequenas quedas na luz estelar à medida que um planeta passa em frente da sua estrela. Kepler também identificou cerca de 3.000 sistemas binários eclipsantes onde uma estrela passa periodicamente na frente da outra.
Como cerca de 10% das estrelas semelhantes ao Sol contêm planetas grandes, os cientistas esperavam que a mesma proporção em torno de estrelas binárias fosse de cerca de 300 sistemas. Em vez disso, apenas 47 candidatos foram encontrados e apenas 14 foram confirmados como planetas orbitando ambas as estrelas.
Notavelmente, nenhum destes planetas confirmados orbita estrelas binárias muito próximas que orbitam em menos de sete dias.
“Geralmente há uma escassez de circunplanetas e um deserto absoluto em torno de binários com períodos orbitais de sete dias ou menos”, disse Farhat. “A grande maioria dos sistemas binários eclipsantes são binários densos, e estes são precisamente os sistemas em torno dos quais mais esperamos encontrar planetas circunbinários em trânsito.”
Os sistemas binários também contêm o que os cientistas chamam de zona de instabilidade, uma região onde as órbitas dos planetas não podem permanecer estáveis. Nesta zona, o efeito gravitacional combinado das duas estrelas ejeta os planetas do sistema ou os puxa até que entrem em colapso.
Curiosamente, 12 dos 14 planetas circumbinários conhecidos orbitam logo atrás desta região instável. Isto sugere que provavelmente se formaram mais longe e mais tarde migraram para o interior, já que a formação perto da fronteira teria sido extremamente difícil.
“Os planetas se formam de baixo para cima, colando planetesimais de pequena escala. Mas formar um planeta no limite da zona de instabilidade seria como tentar colar flocos de neve em um furacão”, disse ele.
O papel de Einstein na limpeza dos planetas
Tuma suspeitava há muito tempo que a relatividade geral poderia afectar a forma como os planetas se comportavam em sistemas binários, embora não estivesse claro quão forte este efeito poderia ser. À medida que as estrelas binárias se aproximam lentamente, os efeitos relativísticos tornam-se cada vez mais importantes.
Usando cálculos matemáticos detalhados e simulações de computador, os pesquisadores mostraram que esses efeitos podem alterar dramaticamente os sistemas planetários. Os seus resultados mostram que cerca de oito em cada 10 planetas em torno de estrelas binárias próximas serão desestabilizados e a maioria acabará por ser destruída.
Física por trás da precessão orbital
Proposta por Albert Einstein em 1915, a teoria geral da relatividade descreve a gravidade como a curvatura do espaço-tempo pela massa, semelhante à forma como um objeto pesado distorce uma superfície esticada. Uma das primeiras confirmações é a órbita de Mercúrio, que muda um pouco mais do que pode ser explicado apenas pelas leis de Newton.
Um processo semelhante ocorre em estrelas binárias. Estes sistemas começam frequentemente como estrelas distantes, mas as interações com o gás circundante aproximam-nos gradualmente ao longo de dezenas de milhões de anos. Ao longo de milhares de milhões de anos, a força das marés continua a diminuir a sua órbita.
À medida que as estrelas se aproximam, o seu movimento orbital muda mais rapidamente, incluindo a posição da sua aproximação mais próxima, conhecida como periósteo. Entretanto, um planeta que orbita ambas as estrelas também experimenta precessão, embora neste caso seja impulsionado por forças gravitacionais clássicas.
À medida que o sistema binário se contrai, a precessão do planeta diminui e a precessão das estrelas acelera. Quando as duas velocidades coincidem, ocorre ressonância e a órbita do planeta torna-se cada vez mais esticada.
Assim que o ponto mais próximo da órbita entra na zona de instabilidade, o planeta é ejetado para fora ou atraído 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 próximos são tão raramente observados.
“Um planeta em ressonância encontra a sua órbita deformando-se para excentricidades cada vez maiores, precessando cada vez mais rápido enquanto permanece em harmonia com a órbita do binário em colapso”, disse Tuma. “E no caminho, ele encontra uma zona de instabilidade em torno dos binários, onde efeitos de três corpos surgem no local e limpam gravitacionalmente a zona.”
“Naturalmente, quando você forma esses binários compactos, em menos de sete dias, você se livra do planeta naturalmente, sem causar perturbações adicionais de uma estrela próxima ou de outros mecanismos”, disse Farhat.
Ampla influência em todo o universo
Segundo Tuma, esses mesmos processos podem remover vários planetas de sistemas binários, especialmente aqueles que de outra forma seriam descobertos por missões como Kepler ou TESS.
A equipa está agora a alargar os seus modelos para investigar 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 ausência de planetas em torno de pulsares binários, que são pares de estrelas de nêutrons que giram rapidamente e emitem pulsos de rádio regulares.
As descobertas mostram como a teoria de Einstein continua a moldar a nossa compreensão do universo, mesmo em sistemas que antes eram considerados bem explicados pela física clássica.
“Curiosamente, quase um século depois dos cálculos de Einstein, simulações de computador mostraram como os efeitos relativísticos poderiam ter salvado Mercúrio da difusão caótica do Sistema Solar. Aqui vemos os efeitos correspondentes que destroem os sistemas planetários”, disse Tuma. “A relatividade geral estabiliza os sistemas em alguns aspectos e os perturba em outros.”
Farhat é apoiado pelo Instituto Miller de Pesquisa Básica da Universidade da Califórnia, Berkeley.
