De mais de 4.500 estrelas conhecidas que hospedam planetas, um padrão surpreendente se destaca. Embora se espere que planetas se formem ao redor da maioria das estrelas e muitas estrelas existam em pares, mundos que orbitam ambas as estrelas são incomumente raros.
Entre mais de 6.000 planetas extrasolares confirmados, ou exoplanetas, descobertos até agora — a maioria pelo Telescópio Espacial Kepler e pelo Satélite de Pesquisa de Exoplanetas em Trânsito (TESS) — apenas 14 foram observados orbitando estrelas binárias. Com base nas expectativas, os astrônomos pensavam que deveria haver centenas. Então, onde estão as versões da vida real do Tatooine de Star Wars?
Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, e da Universidade Americana de Beirute agora sugerem uma resposta, que aponta para a teoria da relatividade geral de Einstein.
Como a Gravidade Modela Órbitas em Sistemas Estelares Binários
Em um sistema binário típico, duas estrelas com massas ligeiramente diferentes giram uma em torno da outra ao longo de caminhos alongados, ou elípticos. Um planeta que orbita ambas as estrelas experimenta forças gravitacionais concorrentes, o que faz sua órbita rotacionar lentamente, ou precessar, semelhante a um pião girando sob a gravidade.
As próprias estrelas também passam por precessão, mas por uma razão diferente. Seu movimento é influenciado pela relatividade geral. Com o tempo, as forças de maré entre as duas estrelas puxam-nas gradualmente mais perto uma da outra. À medida que sua órbita encolhe, a precessão das estrelas acelera, enquanto a precessão do planeta desacelera.
Eventualmente, essas duas taxas podem se alinhar em um fenômeno que os cientistas chamam de ressonância. Quando isso acontece, a órbita do planeta se estica e se torna instável. O planeta se afasta mais em um ponto e mergulha muito mais perto em outro.
“Duas coisas podem acontecer: Ou o planeta fica muito, muito perto da binária, sofrendo uma disrupção por maré ou sendo engolido por uma das estrelas, ou sua órbita é significativamente perturbada pela binária, sendo eventualmente ejetada do sistema,” disse Mohammad Farhat, um bolsista pós-doutoral no UC Berkeley e autor principal do artigo. “Em ambos os casos, você se livra do planeta.”
Isso não significa que estrelas binárias não tenham planetas. Os que permanecem tendem a orbitar muito mais longe, tornando-os difíceis de detectar com os métodos de trânsito atuais usados pelo Kepler e TESS.
“Existem certamente planetas por aí. É apenas que eles são difíceis de detectar com os instrumentos atuais,” disse o coautor Jihad Touma, professor de física na Universidade Americana de Beirute.
A equipe relatou seus resultados na The Astrophysical Journal Letters.
Um “Deserto” Planetário em Torno de Estrelas Binárias Apertadas
O Kepler e o TESS detectam planetas medindo pequenos mergulhos na luz estelar quando um planeta passa na frente de sua estrela. O Kepler também identificou cerca de 3.000 sistemas binários de eclipses, onde uma estrela passa periodicamente na frente da outra.
Como cerca de 10% das estrelas semelhantes ao Sol hospeda grandes planetas, os cientistas esperavam uma fração semelhante em torno das estrelas binárias, o que resultaria em aproximadamente 300 sistemas. Em vez disso, apenas 47 candidatos foram encontrados, e apenas 14 são confirmados como planetas orbitando ambas as estrelas.
Notavelmente, nenhum desses planetas confirmados orbita estrelas binárias muito próximas que completam uma órbita em menos de cerca de sete dias.
“Você tem uma escassez de planetas circumbinários em geral e tem um deserto absoluto ao redor de binários com períodos orbitais de sete dias ou menos,” disse Farhat. “A esmagadora maioria dos binários de eclipses são binários apertados e são precisamente os sistemas ao redor dos quais mais esperamos encontrar planetas circumbinários em trânsito.”
Sistemas binários também contêm o que os cientistas chamam de zona de instabilidade, uma região onde as órbitas planetárias não podem permanecer estáveis. Nessa zona, os efeitos gravitacionais combinados das duas estrelas ou lançam planetas para fora do sistema ou puxam-nos para dentro até que sejam destruídos.
Curiosamente, 12 dos 14 planetas circumbinários conhecidos orbitam logo além dessa região instável. Isso sugere que eles provavelmente se formaram mais longe e migraram para dentro mais tarde, uma vez que se formar perto da fronteira seria extremamente difícil.
“Os planetas se formam de baixo para cima, unindo pequenos planetesimais. Mas formar um planeta na borda da zona de instabilidade seria como tentar grudar flocos de neve juntos em um furacão,” disse ele.
O Papel de Einstein na Eliminação de Planetas
Touma suspeitou há muito tempo que a relatividade geral poderia influenciar o comportamento dos planetas em sistemas binários, embora não estivesse claro quão forte poderia ser o efeito. À medida que as estrelas binárias espiralam lentamente mais perto ao longo do tempo, os efeitos relativísticos tornam-se mais importantes.
Usando cálculos matemáticos detalhados e simulações computacionais, os pesquisadores mostraram que esses efeitos podem remodelar dramaticamente os sistemas planetários. Seus resultados indicam que cerca de oito em cada 10 planetas ao redor de estrelas binárias apertadas seriam desestabilizados, e a maioria desses seria, em última análise, destruída.
A Física por Trás da Precessão Orbital
Proposta por Albert Einstein em 1915, a relatividade geral descreve a gravidade como a curvatura do espaço-tempo pela massa, semelhante a como um objeto pesado distorce uma superfície esticada. Uma de suas primeiras confirmações veio da órbita de Mercúrio, que muda ligeiramente mais do que as leis de Newton poderiam explicar sozinha.
Um processo semelhante ocorre em estrelas binárias. Esses sistemas geralmente começam com estrelas distantes, mas interações com o gás circundante gradualmente as atraem mais perto ao longo de dezenas de milhões de anos. Ao longo de bilhões de anos, forças de maré continuam a encolher sua órbita.
À medida que as estrelas se aproximam, seu movimento orbital muda mais rapidamente, incluindo a posição de sua aproximação mais próxima, conhecida como periastro. Enquanto isso, um planeta que orbita ambas as estrelas também experimenta precessão, embora neste caso seja impulsionada por forças gravitacionais clássicas.
À medida que a binária se aperta, a precessão do planeta desacelera enquanto a precessão das estrelas acelera. Quando as duas taxas coincidem, ocorre ressonância, e a órbita do planeta torna-se cada vez mais esticada.
Uma vez que o ponto mais próximo da órbita entra na zona de instabilidade, o planeta é ou lançado para fora ou puxado para dentro e destruído. Esse processo se desenrola relativamente rápido em escalas de tempo cósmicas, o que ajuda a explicar por que planetas ao redor de binárias apertadas são tão raramente observados.
“Um planeta preso em ressonância vê sua órbita deformada para altas e altas excentricidades, precessando mais rapidamente enquanto permanece em sintonia com a órbita da binária, que está encolhendo,” disse Touma. “E, no caminho, encontra essa zona de instabilidade ao redor das binárias, onde os efeitos de três corpos entram em ação e limpam a zona gravitacionalmente.”
“Apenas a maneira natural como você forma essas binárias apertadas, essas binárias sub-sete dias, livra-se do planeta naturalmente, sem invocar uma disrupção adicional de uma estrela próxima ou outros mecanismos,” disse Farhat.
Um Impacto Mais Amplo no Universo
De acordo com Touma, esses mesmos processos podem remover múltiplos planetas de sistemas binários, especialmente aqueles que de outra forma seriam detectáveis por missões como Kepler ou TESS.
A equipe agora está estendendo seus modelos para explorar como a relatividade afeta aglomerados estelares ao redor de pares de buracos negros supermassivos. Eles também estão investigando se mecanismos semelhantes poderiam ajudar a explicar a falta de planetas ao redor de pulsares binários, que são pares de estrelas de nêutrons rapidamente giratórias que emitem pulsos de rádio regulares.
As descobertas destacam como a teoria de Einstein continua a moldar nossa compreensão do universo, mesmo em sistemas que antes se pensava serem bem explicados pela física clássica.
“Curiosamente, quase um século após os cálculos de Einstein, simulações computacionais mostraram como os efeitos relativísticos podem ter salvo Mercúrio de uma difusão caótica para fora do sistema solar. Aqui vemos efeitos relacionados em ação desestabilizando sistemas planetários,” disse Touma. “A relatividade geral está estabilizando sistemas de certa forma e os perturbando de outras formas.”
Farhat é apoiado pelo Instituto Miller de Pesquisa Básica em Ciência da UC Berkeley.
