Por que a parte interna do Sistema Solar não gira mais rápido que a parte externa?

Com informações da Caltech - 06/09/2022

Os discos protoplanetários giram de maneira homogênea em toda a sua extensão radial.
[Imagem: CactiStaccingCrane]

Conservação do momento angular

O movimento de um pequeno número de partículas eletricamente carregadas pode resolver um mistério de longa data sobre os discos protoplanetários, finas camadas de gás girando em torno de estrelas jovens.

Conhecidos como discos de acreção, essas formações duram dezenas de milhões de anos e são uma fase inicial da evolução de um sistema planetário. Eles contêm uma pequena fração da massa da estrela em torno da qual giram - imagine um anel semelhante ao de Saturno tão grande quanto o Sistema Solar.

Eles são chamados de discos de acreção (aglomeração) porque o gás que eles contêm espirala lentamente em direção à estrela.

Os cientistas perceberam há muito tempo que, quando surge essa espiral rumo ao centro, ela deveria fazer com que a parte radialmente interna do disco girasse mais rápido, de acordo com a lei da conservação do momento angular. Para entender a conservação do momento angular, pense nos patinadores artísticos girando sobre si mesmos: Quando seus braços estão esticados, eles giram lentamente, mas, à medida que encolhem os braços, giram mais rapidamente.

O momento angular é proporcional à velocidade vezes o raio, e a lei da conservação do momento angular afirma que o momento angular em um sistema permanece constante. Assim, se o raio do patinador diminuir porque ele esticou os braços, a única maneira de manter o momento angular constante é aumentar a velocidade de rotação.

O movimento espiral para dentro do disco de acreção é semelhante a um patinador encolhendo os braços - e, como tal, a parte interna do disco de acreção deve girar mais rápido. Embora as observações astronômicas mostrem que a parte interna de um disco de acreção de fato gira mais rápido, ela não gira tão rápido quanto o previsto pela lei de conservação do momento angular.

Como pode ser isso?

A principal teoria atual é que os campos magnéticos criam o que é chamado de "instabilidade magnetorrotacional", que gera gás e turbulência magnética - gerando efetivamente um atrito que diminui a velocidade de rotação do gás espiralando para dentro. Mas essa tendência de explicar as coisas pela turbulência não agrada muitos cientistas.

Se planetas se formam em discos protoplanetários, por que não há planetas nos discos?
[Imagem: Kazuhiro Kanagawa/ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)]

Perda de momento angular

Agora, os físicos Paul Bellan e Yang Zhang, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, criaram um modelo de computador de um disco de acreção virtual giratório e superfino. O disco simulado contém cerca de 40.000 partículas neutras e cerca de 1.000 partículas eletricamente carregadas, que poderiam colidir umas com as outras. O modelo também levou em consideração os efeitos da gravidade e de um campo magnético.

"Este modelo tem exatamente a quantidade certa de detalhes para capturar todas as características essenciais," disse Bellan, "porque ele é grande o suficiente para se comportar como trilhões e trilhões de partículas neutras, elétrons e íons em colisão orbitando uma estrela em um campo magnético."

A simulação mostrou que colisões entre átomos neutros e um número muito menor de partículas carregadas faz com que íons carregados positivamente, ou cátions, espiralem para dentro em direção ao centro do disco, enquanto partículas carregadas negativamente (elétrons) espiralam para fora, em direção à borda. As partículas neutras, por sua vez, perdem momento angular e, como os íons carregados positivamente, espiralam para o centro.

"Como previsto pela mecânica Lagrangiana, a quantidade global conservada fundamental é o momento angular canônico total, não o momento angular comum," concluiu a dupla.

O momento angular canônico é a soma do momento angular ordinário original mais uma quantidade adicional que depende da carga de uma partícula e do campo magnético. Para partículas neutras, não há diferença entre o momento angular comum e o momento angular canônico, então se preocupar com o momento angular canônico é desnecessariamente complicado. Mas, para partículas carregadas - cátions e elétrons - o momento angular canônico é muito diferente do momento angular comum porque a quantidade magnética adicional é muito grande.

Como os elétrons são negativos e os cátions são positivos, o movimento para dentro dos íons e o movimento para fora dos elétrons, que são causados por colisões, aumenta o momento angular canônico de ambos. As partículas neutras perdem momento angular como resultado de colisões com as partículas carregadas e se movem para dentro, o que equilibra o aumento do momento angular canônico da partícula carregada.

Parece pouco, mas faz uma diferença enorme na escala de um sistema planetário: Apenas cerca de uma em um bilhão de partículas precisa ser carregada para explicar a perda observada de momento angular das partículas neutras. E, como essa perda de momento angular depende apenas de partículas neutras colidindo com partículas carregadas, este deve ser um fenômeno disseminado por todo o cosmos.

"Este estudo responde a uma pergunta difícil sobre como os discos se desenvolvem, evoluem e formam jatos," diz Lisa Winter, da Fundação Nacional de Ciências dos EUA. "Esse processo acontece em todo o Universo, desde a formação de sistemas solares até buracos negros supermassivos nos centros das galáxias."

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