No Sistema Solar, temos o Sol central, muitos planetas, asteroides, objetos do cinturão de Kuiper e luas.

Embora a maioria dos planetas tenha luas e alguns dos objetos do cinturão de Kuiper e até mesmo asteroides tenham satélites naturais que os orbitam, não existem "luas de luas" conhecidas por aí. Pode não ser porque somos apenas azarados; pode haver algumas regras fundamentalmente importantes da astrofísica que tornam extraordinariamente difícil para tal objeto existir de forma estável.

O sistema saturnino é conhecido por ter um número incrível de anéis e luas, mas nenhuma das luas sabemos que têm luas próprias. Crédito da imagem: NASA / JPL

Leia também:

• Quais são as leis do movimento de Newton?
• O que é o horizonte de eventos do buraco negro (e o que acontece lá?)
• Qual é a menor partícula do universo? (E quanto a maior?)
• 10 teorias estranhas sobre o universo

Quando tudo o que você tem é um único objeto enorme no espaço para considerar, tudo parece bastante simples. Você intuiria que a gravitação seria a única força em ação e, portanto, seria capaz de colocar qualquer objeto em uma órbita estável, elíptica ou circular em torno dele. Com essa configuração, você esperaria que continuasse assim para sempre. Mas existem outros fatores em jogo, incluindo o fato de que:

• Este objeto pode ter algum tipo de atmosfera, ou um "halo" difuso de partículas ao seu redor,
• Este objeto não é necessariamente estacionário, mas pode girar, talvez rapidamente, em torno de um eixo,
• E que este objeto não é necessariamente tão isolado quanto você imaginou inicialmente.

As forças das marés atuando na lua de Saturno, Encélado, são suficientes para separar sua crosta gelada e aquecer o interior, permitindo que o oceano subterrâneo irrompa centenas de quilômetros no espaço. Crédito da imagem: NASA / JPL-CALTECH / CASSINI

O primeiro fator, uma atmosfera, só importa nos casos mais extremos. Normalmente, um objeto orbitando um mundo maciço e sólido sem atmosfera simplesmente precisaria evitar a superfície do objeto e poderia permanecer girando em torno dele para sempre. Mas se você lançar na presença de uma atmosfera, mesmo que seja incrivelmente difusa, qualquer corpo em órbita terá que lutar contra os átomos e partículas que cercam a massa central.

Embora normalmente pensemos que nossa atmosfera tem um “fim” e um espaço começando além de uma certa altitude, a realidade é que as atmosferas simplesmente se tornam mais finas conforme você vai para altitudes cada vez mais altas. A atmosfera da Terra continua por muitas centenas de quilômetros; até mesmo a estação espacial internacional algum dia decairá e se queimará quando transpor a atmosfera, a menos que continuamente a impulsionemos. Ao longo das escalas de tempo do Sistema Solar de bilhões de anos, a questão é que os corpos em órbita precisam estar a uma certa distância de qualquer massa que orbitam para estar "seguros".

Além disso, um objeto pode girar. Isso se aplica tanto à grande massa quanto à menor que a orbita. Há um ponto “estável”, onde ambas as massas são travadas pela maré uma à outra (onde ambas sempre têm o mesmo lado apontando uma para o outra), mas se você tiver qualquer outra configuração, haverá algum “torqueamento” acontecendo. Esse torque pode funcionar tanto para espiralar as duas massas para dentro (se a rotação for muito lenta) ou para fora (se a rotação for muito rápida) para que o travamento ocorra. Em outras palavras, a maioria dos satélites não começa na configuração ideal! Mas há mais um fator que precisamos acrescentar para chegar à questão das “luas das luas” e realmente ver onde está a dificuldade.

Um modelo do sistema Plutão / Caronte mostra as duas massas principais orbitando uma a outra. Os Novos Horizontes O sobrevoo mostrou que não havia luas de Plutão ou Caronte no interior de suas órbitas mútuas. Crédito da imagem: USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS STEPHANIE HOOVER

O fato de um objeto não estar isolado é realmente importante. É muito mais fácil manter um objeto em órbita ao redor de uma única massa, como uma lua ao redor de um planeta, um pequeno asteroide ao redor de um grande, ou Caronte ao redor de Plutão, do que manter um objeto em órbita ao redor de uma massa que orbita outra massa. Este é um fator enorme e normalmente não é considerado. Mas pense nisso por um momento da perspectiva de nosso planeta mais íntimo e sem lua, Mercúrio.

Mosaico global do planeta Mercúrio pela espaçonave Messenger da NASA. Crédito da imagem: NASA-APL

Mercúrio orbita nosso Sol com relativa rapidez e, portanto, tanto as forças gravitacionais quanto as de maré sobre ele são muito grandes. Se houvesse algo mais orbitando Mercúrio, haveria agora um grande número de fatores adicionais em jogo

1. O “vento” do Sol (o fluxo de partículas externas) colidiria com Mercúrio e o objeto orbitando, perturbaria as órbitas.
2. O calor que o Sol aplica à superfície de Mercúrio pode resultar em uma extensão da atmosfera de Mercúrio. Mesmo que Mercúrio não tenha ar, as partículas na superfície são aquecidas e lançadas no espaço, criando uma atmosfera tênue, mas não desprezível.
3. E, finalmente, há uma terceira massa lá que quer causar o bloqueio de maré final: ter não apenas aquela pequena massa e Mercúrio travados um no outro, mas ter Mercúrio preso ao sol.

Isso significa que, para qualquer satélite de Mercúrio, existem duas localizações limitantes. 

Cada planeta orbitando uma estrela será mais estável quando estiver travado em forma maré nele: onde está orbital e os períodos de rotação coincidem. Se você adicionar outro objeto orbitando um planeta, sua órbita mais estável estará em um bloqueio de maré mútuo com o planeta e a estrela, perto do ponto L2. Crédito da imagem: NASA

Se o satélite estiver muito perto de Mercúrio de várias maneiras:

• O satélite não estará girando rápido o suficiente para sua distância,
• Mercúrio não está girando rápido o suficiente para alcançar o travamento da maré com o Sol,
• Suscetível à desaceleração do vento solar,
• Ou sujeito a atrito suficiente da atmosfera mercuriana, ele acabará por se chocar contra a superfície de Mercúrio.

Quando um objeto colide com um planeta, ele pode levantar destroços e levar à formação de luas. É daqui que a Lua da Terra veio e também de onde se pensa que as luas de Marte e Plutão também surgiram. Crédito da imagem: NASA / JPL-CALTECH

E, por outro lado, corre o risco de ser ejetado da órbita de Mercúrio por ser empurrado para longe se o satélite estiver muito distante e outras considerações se aplicam:

• O satélite gira muito rápido para sua distância,
• Mercúrio gira muito rápido para ficar preso ao Sol,
• O vento solar confere velocidade adicional ao satélite,
• Os efeitos perturbativos de outros planetas funcionam para ejetar uma lua ou satélite tênue,
• Ou o aquecimento do Sol transmite energia cinética adicional a um satélite suficientemente pequeno.

Configurações particulares, ao longo do tempo, podem resultar na ejeção de satélites ou luas instáveis de sistemas planetários. Crédito da imagem: SHANTANU BASU, EDUARD I. VOROBYOV E ALEXANDER L. DESOUZA; HTTP://ARXIV.ORG/ABS/1208.3713

Agora, com tudo o que foi dito, existem planetas lá fora com luas! Embora um sistema de três corpos nunca seja verdadeiramente estável, a menos que você esteja na configuração perfeita mencionada anteriormente, podemos alcançar estabilidade em escalas de tempo de bilhões de anos nas circunstâncias certas. Existem algumas condições que tornam isso mais fácil:

1. Faça com que o planeta/asteroide que é a massa principal do sistema esteja suficientemente longe do Sol para que o vento solar, o fluxo da luz solar e as forças de maré do Sol sejam todas pequenas.
2. Faça com que o satélite desse planeta/asteroide esteja perto o suficiente do corpo principal para que não fique muito frouxo, gravitacionalmente, de modo que é improvável que seja expulso de outras interações gravitacionais ou mecânicas.
3. Faça com que o satélite desse planeta/asteroide esteja longe o suficiente do corpo principal para que efeitos de maré, fricção ou outros não o façam inspirar e se fundir com o corpo original.

Como você deve ter adivinhado, existe um "ponto ideal" para a lua existir ao redor dos planetas: algumas vezes mais longe do que o raio do planeta, mas perto o suficiente para que o período orbital não seja muito longo: ainda significativamente mais curto do que o período orbital do planeta em torno de sua estrela. Então, com tudo isso em mente, onde estão os satélites de luas em nosso sistema solar?

Os asteroides presentes no cinturão principal e os asteroides de Tróia ao redor de Júpiter podem ter satélites próprios, mas esses objetos não se qualificam como luas. Crédito da imagem: NATUREZA

O que temos que mais se aproxima disso são asteroides troianos com seus próprios satélites, mas como nenhum desses são “luas” de Júpiter, isso não se encaixa perfeitamente. Então, elas existem?

A resposta curta é: provavelmente não veremos nenhuma, mas há esperança. Os mundos dos gigantes gasosos são bastante estáveis e muito distantes do sol. Eles têm muitas luas, muitas das quais já estão bloqueadas por maré em seu mundo original. As maiores luas são os melhores candidatos que temos para abrigar satélites. 

Os melhores candidatos seriam:

• Tão massivo quanto possível,
• Relativamente longe do corpo parental para minimizar o risco inspiral,
• Não tão longe que haja uma chance de uma ejeção fácil,
• E, este é um novo, bem separado de quaisquer outras luas, anéis ou satélites que possam perturbar seu sistema.

As luas principais de nosso Sistema Solar podem conter alguns objetos com candidatos potencialmente tendo suas próprias luas em órbita. Se muitas dessas luas estivessem situadas de forma diferente, os astrônomos as definiriam como planetas. Crédito da imagem: EMILY LAKDAWALLA, VIA HTTP://WWW.PLANETARY.ORG/MULTIMEDIA/SPACE-IMAGES/CHARTS/THE-NOT-PLANETS.HTML. A LUA: GARI ARRILLAGA. OUTROS DADOS: NASA / JPL / JHUAPL / SWRI / UCLA / MPS / IDA. PROCESSAMENTO POR TED STRYK, GORDAN UGARKOVIC, EMILY LAKDAWALLA E JASON PERRY

Com tudo isso dito, quais são os melhores candidatos para luas em nosso Sistema Solar que podem ter suas próprias luas estáveis?

• A lua de Júpiter, Calisto: o mais externo de todos os principais satélites de Júpiter com 1.883.000 km, Calisto também é grande, com um raio de 2.410 km. Demora relativamente tempo para orbitar Júpiter, em 16,7 dias e tem uma velocidade de escape considerável de 2,44 km/s.
• A lua de Júpiter, Ganimedes: a maior lua do sistema solar (2.634 km de raio), Ganimedes está longe de Júpiter (1.070.000 km), mas possivelmente não o suficiente. (São apenas outros 50% da distância exterior à órbita de Europa.) Tem a maior velocidade de escape de qualquer uma das luas do Sistema Solar (a 2,74 km/s), mas o sistema joviano altamente povoado torna menos provável que qualquer um dos Os satélites de Júpiter tenha luas.
• A lua de Saturno, Iapetus: não é tão grande (734 km de raio), mas Iapetus está longe de Saturno, a uma distância orbital média de 3.561.000 km de nosso planeta anelado. Está bem fora dos anéis de Saturno e bem separada de todas as outras luas principais. A desvantagem é sua massa e tamanho baixo: você só precisa viajar a 573 metros por segundo para escapar da superfície de Iapetus.
• Lua de Urano, Titania: com 788 km de raio, é a maior lua de Urano, localizada a 436.000 km de Urano e levando 8,7 dias para orbitar.
• Lua Oberon de Urano: a segunda maior lua de Urano (761 km), mas a mais distante (584.000 km), leva 13,5 dias para orbitar Urano. Oberon e Titania, no entanto, estão perigosamente (e possivelmente proibitivamente) próximas uma da outra para permitir que uma “lua-de-lua” aconteça em torno de Urano.
• Lua de Netuno, Tritão: este objeto capturado do Cinturão de Kuiper é enorme (1.355 km de raio), distante de Netuno (355.000 km) e massivo; um objeto precisa se deslocar a mais de 1,4 km/s para escapar da gravidade de Tritão. Esta seria, talvez, minha melhor “aposta” para uma lua de um planeta que tinha seu próprio satélite natural.

Mas com tudo isso dito, eu não esperava nada. Todas as condições para adquirir e manter uma lua-da-lua apresentam dificuldades extremas quando você considera quantos objetos gravitacionalmente perturbativos existem nesses sistemas gigantes gasosos. Se eu tivesse que fazer apostas, diria que Iapeto e Tritão seriam os candidatos mais prováveis para ter uma "lua-de-lua", uma vez que são os satélites principais mais distantes de seu mundo, estão um tanto isolados de outras grandes massas, e a velocidade de escape da superfície de cada um desses mundos ainda é bastante substancial.

Mas, com tudo o que foi dito, até onde sabemos, ainda não conhecemos nenhum. Talvez esse raciocínio também esteja errado, e nossa melhor aposta será, na verdade, nos confins do Cinturão de Kuiper ou mesmo na Nuvem de Oort, onde simplesmente temos muito mais chances do que jamais teríamos em nosso Sistema Solar.

Claro, um objeto do cinturão de Kuiper precisaria ter uma lua com sua própria lua para ser considerado uma lua tendo uma lua. As distâncias em jogo provavelmente precisariam ser muito grandes; em algum ponto, a energia de ligação gravitacional torna-se muito pequena e a região que você tem para o sucesso é extremamente estreita. Crédito da imagem: ROBERT HURT (IPAC)

Até onde sabemos, esses objetos podem existir: é possível, mas requer condições muito específicas que exigiriam um pouco de sorte. Até onde vão nossas observações, essa serendipidade não ocorreu em nosso Sistema Solar. Mas nunca se sabe: o Universo está cheio de surpresas. E quanto melhores se tornam nossas capacidades de bservação, mais tendemos a encontrar. Eu não ficaria muito surpreso se a próxima grande missão para Júpiter (ou outros gigantes gasosos) descobrisse esse fenômeno exato! Talvez luas-de-luas sejam reais, e basta dar uma olhada no lugar certo para descobri-las.

Junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook e no twitter. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

SIEGEL, Ethan. Can Moons Have Their Own Moons? Forbes, 09, jun. 2017. Starts With A Bang. Disponível em: <https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/06/09/can-moons-have-their-own-moons/?sh=404f9a1f16a9>. Acesso em: 05, ago. 2021.