Por que não existem luas com anéis no Sistema Solar, segundo Mario Sucerquia

Temos uma coleção impressionante de luas esquisitas no Sistema Solar. Há luas quentes e luas geladas. Existe lua com líquido, e muitas são cobertas por poeira. Um planeta abriga uma lua que parece uma noz, e outro tem luas com formato de batata.

Ainda assim, entre as quase 300 luas conhecidas até hoje, não existe um único caso confirmado de uma lua com anéis.

Isso, por si só, é estranho.

Dos oito planetas do Sistema Solar, quatro exibem anéis de poeira e gelo orbitando o seu equador. Acredita-se que Marte já tenha tido um anel no passado. Alguns planetas anões também têm anéis (ainda que, por vezes, os astrónomos tenham dificuldade para explicar como eles se mantêm). Até certos asteroides apresentam anéis.

Por que a falta de luas com anéis no Sistema Solar chama atenção

Foi ao investigar a ideia de luas com anéis fora do Sistema Solar - apelidadas de cronomoons - que a questão começou a incomodar o astrofísico Mario Sucerquia, da Universidade Adolfo Ibáñez, no Chile, e os seus colegas.

"If giant planets in our Solar System have rings, and if centaurs (asteroids beyond Jupiter's orbit) and trans-Neptunian objects also have them, why don't moons in the Solar System have rings?" Sucerquia explained to ScienceAlert.

"This absence seemed counterintuitive given the prevalence of rings elsewhere, so we wanted to explore whether there might be underlying dynamical reasons preventing ring formation or long-term stability around moons."

Ainda não detectámos nenhuma lua fora do Sistema Solar. Mesmo assim, em 2021, Sucerquia e a sua equipa levantaram a hipótese de que, se uma delas tivesse um sistema de anéis grande o bastante, poderia - em tese - bloquear luz estelar suficiente para denunciar a sua presença.

Só que, depois, veio a constatação incômoda: nunca vimos, de facto, uma lua com anéis. Isso abriu uma possibilidade bem real de que esses anéis simplesmente não consigam existir.

E, quando um astrónomo tem uma pergunta e dispõe de ferramentas de simulação, o caminho é quase inevitável: montar modelos de sistemas cósmicos e observar o que acontece quando tudo entra em movimento.

Matéria-prima existe: impactos, poeira e jatos de gás

Em termos de “ingredientes”, não parece faltar material para formar anéis ao redor de diferentes luas do Sistema Solar. Algumas superfícies são marcadas por crateras; a poeira expelida por impactos poderia, em princípio, alimentar um anel. Outras libertam vapor ou gás. Portanto, do ponto de vista de fornecimento, o problema não estaria aí.

Partindo da expectativa de que a influência gravitacional da lua, do planeta anfitrião e, possivelmente, de outras luas poderia ser forte demais para que um anel se organizasse e permanecesse estável, os investigadores planearam e executaram testes com simulações de N corpos.

Simulações de N corpos e o exemplo de Encélado

"For instance, Enceladus, a moon of Saturn with significant geological activity, ejects water vapor, ice particles, and gasses from geysers in its southern polar region. Instead of forming a ring around the moon, this material is transferred to the planet's orbit due to intense interactions with neighboring moons, feeding Saturn's E ring," Sucerquia explained.

"In other words, while moons generate part of the raw material for rings, the surrounding environment ensures that the more massive planet retains it, preventing the formation of rings around the moons themselves."

Hoje, a NASA contabiliza 293 luas em órbita de planetas no nosso Sistema Solar, sendo que a maioria acompanha Júpiter e Saturno. Além disso, existem luas a orbitar planetas anões e até asteroides.

Para a equipa, as simulações precisavam representar esse “cardápio” de cenários: desde a Terra, com a sua única lua, até satélites maiores de Júpiter e Saturno, ao longo de um milhão de anos de evolução. A meta era avaliar estabilidade, ambiente gravitacional, possíveis sistemas de anéis e como tudo isso mudaria com o tempo.

Estabilidade inesperada - e estruturas “bonitas”

Os resultados, porém, fugiram bastante do que os investigadores esperavam.

"I initially expected the rings to be completely unstable, which would have directly answered the question. However, contrary to our expectations, we found that these structures were quite stable in many cases," said Sucerquia.

"In fact, we had previously demonstrated in an earlier paper that isolated moons can have stable rings, but we did not anticipate that moons in a hostile gravitational environment, with many other moons and planets disturbing their rings, would still maintain stability. The additional surprise came when we realized that these hostile environments, rather than destroying the rings, actually endowed them with great beauty by creating structures like gaps and waves, similar to those observed in Saturn's rings."

Ou seja: em muitos casos, os anéis não só resistiriam como poderiam ganhar “detalhes” - lacunas e ondulações - sob perturbações gravitacionais, lembrando as estruturas vistas nos anéis de Saturno.

Indícios em Reia e Jápeto: sinais de anéis antigos

Em algumas luas do Sistema Solar, há características que sugerem que anéis possam ter existido no passado. As simulações dão suporte à ideia de que os detritos observados em órbita de Reia, lua de Saturno, poderiam ser os últimos vestígios de um sistema de anéis que antes era completo.

Já Jápeto, também de Saturno, possui uma cordilheira ao longo do equador que pode ser a marca deixada por um anel que acabou por cair sobre a própria lua - de forma parecida com o que acontece, lentamente, com os anéis de Saturno, que aos poucos “chovem” para dentro do gigante gasoso.

Esses resultados apontam que a razão para não vermos anéis em luas no Sistema Solar talvez seja bem menos dramática: simplesmente não estávamos no lugar certo, na hora certa. Segundo os investigadores, pressão de radiação do Sol, campos magnéticos, aquecimento interno e plasma da magnetosfera contribuíram para eliminar quaisquer anéis lunares que tenham existido.

"I believe we might have been somewhat unlucky in this regard, as we started observing the Universe during a period when these structures are no longer present. After conducting this study, I am convinced that these rings likely existed in the past," said Sucerquia.

É uma perspectiva um pouco desanimadora - mas bastante plausível. Há estudos a sugerir que só vemos os anéis de Saturno porque, novamente, estamos a observar no momento “certo”. O mesmo raciocínio ajuda a explicar os eclipses: a Lua afasta-se gradualmente da Terra e, no futuro, ficará distante demais para tapar completamente o Sol.

A equipa considera que novas simulações, incorporando mais parâmetros (como pressão de radiação e campos magnéticos), podem esclarecer com mais detalhe por que não há anéis em luas hoje. Sucerquia também defende que vale examinar as luas com mais atenção, em busca de provas antigas de anéis - como a cordilheira de Jápeto.

Enquanto isso, ele e os colegas estão a ampliar o alcance da procura, à caça de luas com anéis a orbitar mundos distantes em torno de estrelas distantes.

"I can't help but wonder about the mythology and stories that might emerge from inhabitants of other worlds where their moons have rings," he told ScienceAlert. "How different might our own stories and culture have been if our Moon had rings? The possibilities are endless."

A pesquisa foi aceite em Astronomy & Astrophysics e está disponível no arXiv.