Este gigante de gelo se escondeu da visão da humanidade por milênios. Mas, eventualmente, seu planeta irmão o entregou

A Voyager 2 capturou esta foto impressionante de Netuno com sua câmera de ângulo estreito em 31 de agosto de 1989. Crédito da imagem: Netuno: NASA/JPL-Caltech/Kevin M. Gill. Ilustração do sol: Tatyana Antusenok/Dreamstime

A história de como os observadores descobriram Urano e Netuno está entre as mais célebres nos anais da astronomia. Como as primeiras adições modernas ao sistema solar, unindo os planetas clássicos conhecidos pelos antigos, os gigantes de gelo mudaram para sempre nossa concepção do universo. E a descoberta de Netuno foi um testemunho inspirador do método científico: Uma misteriosa discrepância entre observação e teoria levou a uma previsão que foi validada de maneira dramática e destruidora do cosmos.

Pelo menos, é assim que a história costuma ser. Mas encontrar Netuno foi menos direto do que a história sugere. É um conto cheio de personagens fascinantes, oportunidades perdidas e até intrigas internacionais. E, no final, toda a descoberta dependeu de uma sorte crucial que passou despercebida por quase 150 anos.

Uma visão do sistema solar em mudança como entendido no final do século 18, esta ilustração foi criada logo após a descoberta de Urano, cuja órbita e luas estão no círculo mais externo, logo após as palavras “O Sistema Solar Exibido”. Crédito da imagem: Library of Congress

Uma descoberta redescoberta

É fácil esquecer que, durante a maior parte do século XVIII, o sistema solar era um lugar notavelmente simples e direto (o que certamente facilitou o trabalho dos fabricantes de minérios). Havia o Sol, os sete planetas, incluindo a Terra, nossa Lua, as quatro luas de Júpiter, as cinco luas de Saturno e alguns cometas periódicos. A zona entre Marte e Júpiter, que em breve se encheria de asteroides, ainda estava vazia. Todo o sistema solar externo além de Saturno e abaixo da esfera das estrelas fixas era desprovido de características, como era desde o tempo de Aristóteles. E todos os corpos do sistema solar se moviam ordenadamente e previsivelmente de acordo com a lei da gravidade de Newton.

Mas essa imagem antiga e elegante foi destruída pela descoberta fortuita de Urano por William Herschel em março de 1781. E isso foi apenas o começo quando se tratou de abalar o sistema solar: A órbita do novo planeta se recusou obstinadamente a seguir o caminho que os matemáticos insistiam que deveria, apontando para outro planeta escondido à espreita e além.

Em 1821, um astrônomo francês agora amplamente esquecido chamado Alexis Bouvard publicou tabelas do movimento de Urano, sobre as quais ele trabalhou por muitos anos. Bouvard era um menino pastor que subiu, improvavelmente, para se tornar diretor do Observatório de Paris. Ele estava tentando combinar observações pré-descoberta de Urano de catálogos de estrelas (o mais antigo era de 1690) com as observações presumivelmente muito mais precisas feitas desde que Herschel descobriu o mundo.

Quando a Voyager 2 partiu de Netuno para continuar sua aventura pelo sistema solar externo, ela voltou para tirar esta foto do pólo sul do gigante do gelo. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech

Mas ele não conseguiu. Ele descartou as observações mais antigas e, por um momento, o movimento observado de Urano pareceu conciliar-se com a teoria. No entanto, logo estava fora do curso novamente. Antes de 1821, Urano parecia estar se movendo mais rápido do que deveria, com base nos corpos conhecidos próximos a ele. Mas dentro de alguns anos, parecia estar se movendo muito devagar. O próprio Bouvard suspeitava que um planeta desconhecido pudesse ser a causa, mas não fez nada para acompanhar.

Buscando a resposta

Ao longo dos anos, a dificuldade incômoda de explicar o caminho futuro de Urano só piorou. Eventualmente, dois astrônomos matemáticos começaram a investigar.

Um era John Couch Adams, natural da Cornualha. Adams recebeu quase todos os prêmios em matemática como estudante de graduação no St. John's College, em Cambridge, e foi premiado com uma bolsa de estudos. O outro era Urbain Jean Joseph Le Verrier da França, um répétiteur (tutor particular ou professor assistente) na École Polytechnique que dedicou a maior parte de seu tempo à pesquisa da mecânica celeste.

Esta pilha de cerca de 600 páginas inclui notas bibliográficas de Urbain Jean Joseph Le Verrier sobre cometas, mecânica celeste, o Sol e a Lua, nebulosas, instrumentos e a história da astronomia. Ele tomou essas notas antes de 1836, quando começou na École Polytechnique. Crédito da imagem: Guy Bertrand/Observatório de Paris

Adams se interessou pelo problema de Urano por conta própria, esboçando seu primeiro plano para investigar como estudante de graduação em 1841. Le Verrier, já tendo publicado um importante trabalho sobre a estabilidade do sistema solar, em vez disso, foi convocado para o trabalho durante o verão de 1845 pelo então diretor do Observatório de Paris, François Arago. Arago ficou frustrado com a falta de progresso na teoria de Urano por Eugène Bouvard, sobrinho de Alexis, que havia sido designado para a investigação depois que Alexis se aposentou.

Poucas pessoas estão familiarizadas com os meandros da mecânica celeste clássica. E quase ninguém realiza os cálculos incrivelmente longos com lápis e papel que antes eram necessários. Além disso, a concentração prolongada necessária para tais cálculos parece estranha em uma era de constante agitação na internet e na mídia. Como resultado, hoje é um pouco difícil imaginar o quão desafiador foi o problema que Adams e Le Verrier estabeleceram para si mesmos.

O astrônomo francês Urbain Jean Joseph Le Verrier, mostrado aqui em um retrato litográfico, desempenhou um papel fundamental na descoberta do perturbador desconhecido Urano: Netuno. Crédito da imagem: Bibliotecas do Smithsonian

É claro que sempre foi trabalho dos astrônomos matemáticos fazer previsões. Eles usaram as leis de Kepler para prever as posições futuras dos planetas, dados os elementos de suas órbitas elípticas, e aplicaram a teoria da gravitação de Newton ao movimento elíptico de Kepler para explicar as perturbações devidas a outros planetas. Tudo isso era muito complicado e tedioso, mas bastante direto, desde que se tivesse elementos orbitais precisos e que a previsão desejada não estivesse muito distante no futuro. (Mesmo com um supercomputador, os efeitos de longo prazo das interações de três corpos logo ficam muito feios.)

Na busca pelo planeta distante, no entanto, Adams e Le Verrier tiveram que fazer engenharia reversa nas operações. Em vez de começar com os elementos orbitais de Urano e calcular os movimentos do perturbador desconhecido, eles tiveram que começar com os movimentos de Urano e tentar fixar firmemente os elementos orbitais que os explicavam. “Fazer a minimização multiparâmetros, que é o que eles estavam tentando fazer, não é tarefa fácil, especialmente se você não tiver um computador”, diz Greg Laughlin, astrônomo da Universidade de Yale e especialista em simulações numéricas.

O astrônomo inglês John Couch Adams, que também desempenhou um papel vital na previsão da localização do oitavo planeta do sistema solar, é visto aqui em uma mesa em sua casa na década de 1870. Crédito da imagem: Wikimedia commons

Por sorte, Adams e Le Verrier estavam à altura da tarefa, embora à sua maneira excêntrica. Adams era extraordinariamente consciencioso tanto em seus estudos quanto em suas responsabilidades de tutoria, permitindo-se satisfazer seu hobby de Urano apenas durante as férias. Ele também era capaz de realizar cálculos longos e tediosos de cabeça sem perder o ritmo, como Le Verrier.

Usando dados sobre o movimento observado de Urano obtidos do Observatório Real em Greenwich, Adams tentou usar a hipótese do planeta desconhecido para reconciliar a observação com a teoria. No final, Adams realizou seis cálculos usando diferentes hipóteses. Seus dois primeiros cálculos usaram a suposição simplificadora de uma órbita circular. E todos, exceto o último, basearam-se na lei semi-empírica de Bode, que previa que cada planeta (se movendo para fora) deveria estar cerca de duas vezes mais longe do Sol que o último, para determinar a suposta distância média do mundo.

Este diagrama é baseado no mapa estelar de Berlim que foi usado por dois astrônomos alemães para localizar um planeta previsto mais tarde chamado Netuno. A seta aponta para uma “estrela que não está no mapa” que eles identificaram com entusiasmo. O X marca onde os cálculos de Le Verrier previram que o planeta estaria, a pouco mais de um grau de distância de sua verdadeira localização. Crédito da imagem: WH Steavenson et al., Esplendor nos Céus (1925)

Ele terminou seus cálculos mais precisos em setembro de 1845 e fez pequenas correções no mês seguinte. Estes deram posições teóricas para o suposto planeta. Como se veria, eles estavam apenas afastados por 2° bastante pesquisáveis de cada lado de onde Netuno realmente estava na época. Ainda assim, ninguém procurou o novo mundo.

Adams comunicou seu primeiro resultado ao seu sobrecarregado professor e diretor do Observatório de Cambridge, James Challis. Com montanhas de outros trabalhos empilhados em sua mesa, Challis fez o que qualquer pessoa sobrecarregada faria: Ele sugeriu que Adams levasse suas ideias para uma autoridade superior.

Essa autoridade era o Astrônomo Real, George Biddell Airy. Com uma carta de apresentação para Airy, mas sem compromisso formal, Adams tentou fazer uma visita inesperada a Airy. Adams tentou três visitas no total, uma a caminho e duas voltando de férias na Cornualha. Airy estava em casa, mas não recebeu Adams, então Adams deixou um bilhete. Para crédito do Astrônomo Real, Airy seguiu com uma carta de resposta, na qual ele fez a Adams uma pergunta bastante técnica.

Este esboço de 1889 mostra um projeto de teto proposto, mas nunca realizado, pelo artista francês Edmond-Louis Dupain. Retrata Le Verrier apontando para o lugar no céu onde o planeta Netuno seria descoberto. À direita, ao fundo, um astrônomo com um telescópio vasculha os céus. Crédito da imagem: Biblioteca do Observatório de Paris

Adams nunca respondeu. O falecido historiador de astronomia Craig Waff descobriu durante uma visita ao escritório da Truro Records em 2004 que Adams havia começado a redigir uma carta de volta para Airy. O motivo pelo qual não foi enviado provavelmente nunca será conhecido; talvez fosse apenas uma questão de se absorver com outros deveres, com uma dose de procrastinação. Como sempre no curso da história, a história da descoberta de Netuno inclui uma trilha melancólica do que poderia ter sido.

A descoberta em Berlim

Exceto por alguns cálculos adicionais feitos no final de 1845, Adams deixou o problema de Urano de lado por um tempo. No início de 1846, ele começou a ajudar Challis a calcular as órbitas dos cometas a partir do acúmulo de observações de Challis. A iniciativa de explicar a órbita de Urano recaiu sobre Le Verrier e os franceses.

A maior lua de Netuno, Tritão, paira sob seu hospedeiro gigante nesta imagem da Voyager 2 tirada a cerca de 4,9 milhões de quilômetros de Netuno. A espaçonave capturou a foto apenas três dias depois de se aproximar do planeta. Crédito da imagem: NASA/JPL

Le Verrier atacou o problema com suas consideráveis habilidades computacionais. Ele era “uma máquina de calcular”, diz Guy Bertrand, estudante de pós-graduação do Observatório de Paris. “Ele verificou novamente todos os cálculos e fez muitos deles mentalmente”. Para dissertação de seu Ph.D., Bertrand estava reconstruindo todos os cálculos de Le Verrier, uma façanha nada pequena, considerando que ele publicou apenas breves resumos deles. “Existem milhares desses pedaços de papel”, diz Bertrand. “Em todas essas páginas, quase não encontrei erros”.

Em 1º de junho de 1846, Le Verrier anunciou seus resultados até agora e incluiu uma posição para o planeta que, como Airy reconheceu imediatamente, estava perto do local que Adams havia proposto no outono anterior. Airy viu uma oportunidade e usou sua influência para fazer Challis pesquisar aquela região do céu no Observatório da Universidade de Cambridge usando o refrator Northumberland de 11,6 polegadas.

O telescópio usado por Galle e d'Arrest para descobrir Netuno, originalmente no Observatório de Berlim, está agora em exibição no Deutsches Museum em Munique. Crédito da imagem: William Sheehan

Challis obedeceu e começou uma caçada minuciosa, embora bastante lenta, que levaria à descoberta do planeta eventualmente. De fato, ele até gravou Netuno duas vezes no início de agosto, mas não chegou a comparar sua mudança de posição entre as observações. Os historiadores de ciência muitas vezes criticaram Challis como um trapalhão, mas ele estava pelo menos olhando.

Na França, enquanto isso, Le Verrier não encontrou nada além de apatia. Finalmente, depois que ele publicou um novo cálculo que colocou o planeta um pouco mais de um grau de onde ele realmente estava, e fez um novo argumento para os astrônomos procurá-lo, Le Verrier encontrou seu homem. Ou melhor, homens. Eles eram Johann Galle, um astrônomo do Observatório de Berlim, e um estudante chamado Heinrich Louis d'Arrest, que sugeriu usar um mapa estelar recém-publicado em Berlim que ainda não havia sido distribuído aos astrônomos em outros lugares para ajudar em sua busca.

O sistema solar externo densamente povoado é mostrado aqui como apareceu em abril de 2019. Desconhecido até mesmo para os astrônomos do final do século 19 era o fato de que além de Netuno existir em um vasto anel de corpos gelados chamados objetos do cinturão de Kuiper (KBOs). Um subconjunto desses KBOs orbita o Sol em uma ressonância de 2:3 com Netuno. Crédito da imagem: Astronomy, Roen Kelly, after Minor Planet Center

Depois de uma hora de trabalho no telescópio em 23 de setembro de 1846, com Galle indicando as posições das estrelas no campo e d'Arrest verificando-as no mapa, finalmente se arrancou a exclamação: “Essa estrela não está no mapa!”. Um exame minucioso revelou o disco do mundo de água-marinha, do qual Galle disse: “Meu Deus do céu, isso é um grande sujeito!”. E assim foi, um planeta quase do mesmo tamanho de Urano e o último gigante a ser adicionado ao nosso sistema solar.

Um furor internacional

A história pós-descoberta de Netuno é quase tão interessante quanto a própria descoberta. Os primeiros esforços da busca infrutífera de Adams e Challis vieram à tona e provocaram o que ameaçou ser um incidente internacional durante um período de relações tensas entre franco-britânicos. Isso foi resolvido com Le Verrier e Adams recebendo partes do crédito. Alguns historiadores afirmaram que houve uma conspiração britânica para adulterar os documentos a fim de roubar crédito dos franceses. Mas não há nenhuma evidência disso.

Cinco dias antes de passar pelo oitavo planeta do sistema solar em 1989, a Voyager 2 capturou essa visão das nuvens surpreendentemente complicadas do gigante do gelo. No centro está a chamada grande mancha escura, um tipo de tempestade netuniana temporária. Uma mancha de nuvens cirros alongadas, chamada de scooter, também é visível ao norte. Crédito da imagem: NASA/JPL-caltech/Voyager-ISS/Justin Cowart

Por outro lado, pesquisas recentes acrescentaram novas perspectivas sobre algumas questões importantes sobre os cálculos que levaram à descoberta triunfante. Logo após a descoberta de Netuno, o matemático americano Benjamin Peirce sugeriu que Adams e Le Verrier tiveram mais sorte do que bons em algumas de suas suposições. Em particular, aqueles relativos à ressonância orbital 2:1 entre Urano e Netuno. (Para cada órbita que Netuno completa, Urano completa aproximadamente duas.) Essas ressonâncias podem causar estragos gravitacionais: Na própria ressonância, as órbitas dos planetas se tornam instáveis.

Adams e Le Verrier assumiram que Netuno estava fora da ressonância, permitindo que sua órbita permanecesse estável. Mas havia indícios iniciais de que essa era uma suposição incorreta. À medida que Adams refinava seu sexto e último conjunto de cálculos, ficou nervoso: a órbita prevista do planeta estava se aproximando desconfortavelmente da ressonância 2:1, o que tornaria improvável sua existência. Mas suas preocupações tinham sido mal colocadas. De fato, foi rapidamente determinado após sua descoberta que Netuno está dentro da ressonância 2:1. Como resultado, Peirce argumentou que a aparente precisão dos cálculos de Le Verrier e Adams foi um “feliz acidente”.

O astrônomo alemão Johann Gottfried Galle (acima), junto com o colega astrônomo alemão Heinrich Ludwig d'Arrest (abaixo), fez a descoberta definitiva de Netuno, localizando-o na noite de 23 de setembro de 1846. Crédito da i,agem: Wikimedia commons

A maioria dos astrônomos da época, incluindo Adams e Le Verrier, rejeitou as críticas de Peirce, afinal, as previsões foram precisas o suficiente para encontrar Netuno com sucesso. Mas Peirce tinha um ponto válido. A ressonância 2:1 entre os gigantes do gelo acaba sendo extremamente importante para entender como as forças gravitacionais dos planetas afetam as órbitas uns dos outros.

Isso foi claramente mostrado em 1990, quando uma equipe de pesquisadores da Universidade Chinesa de Hong Kong (CUHK) publicou um artigo de mudança de paradigma que simplificou habilmente as principais características do problema de perturbação, eliminando a necessidade de compreender os intrincados arcanos da mecânica celeste clássica. Com seu modelo, eles mostraram que a ressonância 2:1 de Netuno perturba o movimento orbital de Urano em uma ordem de magnitude maior do que Le Verrier e Adams haviam assumido. Le Verrier e Adams nunca descobriram esses efeitos porque usaram valores incorretos para a órbita de Urano, incluindo sua excentricidade e distância média do Sol.

Crédito da imagem: Wikimedia commons

A razão pela qual as perturbações orbitais eram muito mais fortes do que Le Verrier e Adams pensavam está relacionada ao fato de que a ressonância 2:1 não é exata. (O período de Netuno difere do dobro do de Urano em 2 por cento.) Embora Le Verrier e Adams se preocupassem com a ressonância 2:1 desestabilizando seus cálculos, eles não podiam prever um efeito colateral da real quase ressonância. Ou seja, a perturbação orbital experimentada por Urano sofre “batidas”, variações lentas de amplitude que ocorrem quando dois objetos estão muito próximos, mas não exatamente, em ressonância, como cordas de um instrumento musical ligeiramente desafinadas.

À luz dessa análise, verifica-se que a compreensão incompleta de Le Verrier e Adams sobre a teoria da perturbação os levou a cometer dois erros. Primeiro, eles fizeram os desvios simétricos em torno da conjunção Urano-Netuno de 1822, o que estava incorreto. O desvio do movimento médio que eles pensavam ser máximos durante esse período era, na verdade, mínimo. Segundo, eles perderam completamente outra possível localização para Netuno, 180 graus fora de fase da primeira, no lado oposto do Sol! Que eles escolheram a posição, que estava perto do planeta na época, foi de fato um feliz acidente.

No entanto, seus esforços representaram uma conquista significativa. De acordo com o físico do CUHK Kenneth Young, coautor do artigo de 1990, “os cálculos de Le Verrier e Adams eram válidos dentro das limitações da teoria que eles usavam”. Na verdade, acrescenta Young, “mesmo uma pesquisa com muito menos parâmetros do que os realmente envolvidos teria sido um grande esforço computacional nos dias anteriores aos computadores eletrônicos”.

Assim, o cumprimento de sua previsão na exclamação de d'Arrest: “Essa estrela não está no mapa!”, prova não ter sido, como esperado por investigadores posteriores, um modelo para futuras descobertas planetárias. Em vez disso, foi um evento estranho, que provavelmente não se repetirá na história da astronomia.

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Referência:

SHEEHAN, William. Finding Neptune: How we discovered the eighth planet. Astronomy, 10, fev. 2022. Disponível em: <https://astronomy.com/magazine/news/2022/02/finding-neptune-how-we-discovered-the-eighth-planet>. Acesso em: 15, fev. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.