Entre as mais de 4.500 estrelas hospedeiras de planetas 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 ambas as estrelas são extraordinariamente incomuns.
Dos mais de 6.000 exoplanetas confirmados ou exoplanetas descobertos até agora – principalmente 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 pensaram que deveriam ser centenas. Então, onde estão as versões reais do Tatooine de Star Wars?
Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley e da Universidade Americana de Beirute sugeriram agora uma resposta, e ela aponta para a teoria geral da relatividade de Einstein.
Como a gravidade molda as órbitas em sistemas estelares binários
Num sistema binário típico, duas estrelas de massas ligeiramente diferentes circulam entre si ao longo de trajetórias alongadas ou elípticas. Um planeta orbitando ambas as estrelas experimenta puxões gravitacionais concorrentes, fazendo com que sua órbita gire lentamente ou avance, como um topo instável sob a gravidade.
As próprias estrelas também progridem, mas por razões diferentes. Seu movimento é afetado pela relatividade geral. Com o tempo, a força das marés entre as duas estrelas aproxima-as lentamente. À medida que suas órbitas diminuem, as estrelas aceleram, enquanto os planetas desaceleram.
Finalmente, estas duas taxas são o que os cientistas chamam de ressonância. Quando isso acontece, a órbita do planeta se expande e se torna instável. Ele oscila mais em um ponto e mergulha muito mais perto em outro.
“Duas coisas podem acontecer: ou o planeta move-se demasiado perto do binário, é perturbado pela maré ou engolfado por uma das estrelas, ou a sua órbita é significativamente perturbada pelo binário, de modo que eventualmente sai do sistema,” disse Mohammad Farhat, pesquisador de pós-doutorado da Miller na UC Berkeley e primeiro autor do artigo. “Em ambos os casos, você pode se livrar do planeta.”
Isso não significa que as estrelas binárias sejam completamente desprovidas de planetas. Aqueles que permanecem orbitam muito longe, tornando-os difíceis de detectar com os atuais métodos de trânsito usados pelo Kepler e pelo TESS.
“É claro que existem planetas por aí. Eles são difíceis de detectar com os instrumentos atuais”, disse o co-autor Jihad Touma, professor de física na Universidade Americana de Beirute.
As equipes relatam seus resultados Cartas de diários astrofísicos.
Um “deserto” planetário em torno de uma estrela binária compacta
Tanto o Kepler como o TESS detectam planetas medindo pequenas quedas na luz estelar quando um planeta passa em frente da sua estrela. O Kepler também identificou cerca de 3.000 sistemas binários eclipsantes, onde uma estrela passa periodicamente na frente da outra.
Dado que cerca de 10% das estrelas semelhantes ao Sol albergam planetas grandes, os cientistas esperavam uma fracção semelhante em torno de estrelas binárias, totalizando cerca de 300 sistemas. Em vez disso, apenas 47 candidatos foram encontrados e apenas 14 planetas foram confirmados para orbitar ambas as estrelas.
Notavelmente, nenhum destes planetas confirmados orbita estrelas binárias muito próximas que completam uma órbita em menos de sete dias.
“Geralmente faltam planetas em órbita e temos um deserto absoluto em torno de binários com períodos orbitais de sete dias ou menos”, disse Farhat. “A esmagadora maioria dos binários eclipsantes são binários compactos e são precisamente os sistemas em torno dos quais esperamos encontrar planetas circunstelares em trânsito.”
Os sistemas binários também contêm o que os cientistas chamam de região de instabilidade, uma região onde a órbita do planeta não pode permanecer estável. Nesta região, a influência gravitacional combinada das duas estrelas empurra os planetas para fora do sistema ou puxa-os para dentro até serem destruídos.
Curiosamente, 12 dos 14 planetas orbitais conhecidos orbitam fora desta região instável. Isto sugere que provavelmente se formaram mais longe e mais tarde migraram para dentro, uma vez que a formação mais perto da fronteira teria sido extremamente difícil.
“Os planetas se formam de baixo para cima, unindo planetas menores. Mas formar um planeta no limite da zona de instabilidade seria como tentar unir 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 poderia ser o efeito. À medida que as estrelas binárias espiralam lentamente no tempo, os efeitos relativísticos tornam-se mais importantes.
Usando cálculos matemáticos detalhados e simulações de computador, os investigadores demonstraram que estes impactos podem remodelar dramaticamente os sistemas planetários. Os seus resultados indicam que oito em cada 10 planetas em torno de estrelas binárias compactas serão instáveis, e a maioria deles acabará por ser destruída.
Física por trás da precessão orbital
Proposta por Albert Einstein em 1915, a relatividade geral descreve a gravitação como a curvatura do espaço-tempo pela massa, de modo que um objeto pesado distorce uma superfície esticada. Uma confirmação inicial disto vem da órbita de Mercúrio, que muda um pouco mais do que as leis de Newton por si só podem explicar.
Um processo semelhante ocorre em estrelas binárias. Estes sistemas começam frequentemente com estrelas muito distantes, mas as interações com o gás circundante aproximam-nos gradualmente ao longo de milhões de anos. Ao longo de milhares de milhões de anos, as forças das marés têm diminuído as suas órbitas.
A sua velocidade orbital muda mais rapidamente à medida que se aproximam da estrela, incluindo a posição da sua maior aproximação, conhecida como periastro. Entretanto, um planeta que orbita ambas as estrelas também experimenta precessão, embora neste caso seja impulsionado por forças gravitacionais clássicas.
À medida que o binário se solidifica, o movimento do planeta diminui enquanto o movimento da estrela acelera. Quando as duas taxas coincidem, ocorre ressonância e a órbita do planeta se expande gradualmente.
Assim que o ponto mais próximo da órbita entra na zona de instabilidade, o planeta se inclina para fora ou é 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 compactos raramente são observados.
“Um planeta capturado em ressonância tem a sua órbita distorcida para excentricidades cada vez mais altas, movendo-se cada vez mais rápido enquanto acompanha a órbita do binário, que está encolhendo”, disse Toma. “E no caminho, ele encontra aquela região de instabilidade em torno dos binários, onde efeitos de três corpos entram em ação e limpam gravitacionalmente a região.”
“A maneira como você cria esses binários restritos, esses binários de menos de sete dias, você pode se livrar do planeta naturalmente, sem perturbações adicionais de estrelas próximas ou outros processos”, disse Farhat.
Uma influência cada vez maior em todo o universo
Segundo Tuma, estes mesmos processos podem remover vários planetas de sistemas binários, especialmente aqueles que de outra forma seriam detectados por missões como Kepler ou TESS.
A equipa está agora a alargar os seus modelos para explorar como a relatividade afecta os aglomerados estelares em torno de pares de buracos negros supermassivos. Eles também estão investigando se um processo semelhante poderia ajudar a explicar a falta de planetas em torno de pulsares binários, pares de estrelas de nêutrons em rotação rápida que emitem pulsos de rádio regulares.
As descobertas destacam como a teoria de Einstein continua a moldar a nossa compreensão do universo, mesmo em sistemas que já foram melhor explicados pela física clássica.
“Surpreendentemente, quase um século depois dos cálculos de Einstein, simulações de computador mostraram como os efeitos relativísticos poderiam salvar Mercúrio da expansão caótica do Sistema Solar. Aqui vemos os efeitos associados à perturbação dos sistemas planetários,” disse Toma. “A relatividade geral estabiliza os sistemas de algumas maneiras e os perturba de outras.”
Farhat é apoiado pelo Instituto Miller de Pesquisa Básica em Ciências da UC Berkeley.
