A medida que partículas correm em torno de Saturno a uma velocidade vertiginosa, seus empurrões e colisões podem parecer aleatórios e casuais – mas uma nova teoria matemática traz um tipo simples de ordem ao caos que vai ajudar a revelar mais sobre anéis em todo o Universo.
Um grupo de físicos, matemáticos e astrônomos tem rigorosamente explicado um mistério de longa data dos anéis de Saturno: por que a distribuição de tamanhos de partículas diferentes, que vão desde polegadas a mais de 30 pés (10 metros) de lado, segue uma relação muito simples. Seu modelo também sugere porque muito grandes corpos nos anéis nunca duram muito.
A teoria não só explica a regularidade dos anéis de Saturno, mas também pode revelar mais sobre as idades e condições de planetas e asteróides com base na distribuição de seus anéis.
“A lei resulta de uma partícula de tamanho de 1 centímetro (0,4 polegadas) para uma do tamanho de uma casa”, disse Nikolai Brilliantov, um matemático da Universidade de Leicester, na Inglaterra e principal autor do novo estudo. “Isto é matematicamente muito bonito, mas não temos nenhuma ideia por que isso acontece. Agora, nós entendemos que isso é perfeitamente correto, e nós sabemos o porquê, o que pode provar que isso não é um mecanismo muito universal por trás dessas particularidades.”
Saturno é cercado por anéis imensos construídos de pedaços de gelo, com uma pitada de material rochoso. Os anéis podem atingir uma largura de 300.000 km, e as partículas podem viajar a milhares de quilômetros por hora. Os pesquisadores descobriram que as partículas dos anéis estão soltas e porosas. Quando duas partículas se chocam, se elas estiverem se movendo lentamente o suficiente, elas irão se fundir em uma só – mas se elas estão se movendo muito rapidamente, vão quebrar. O novo modelo mostra matematicamente como este comportamento simples concorda com a distribuição estranhamente precisa de tamanhos de partículas.
Desde os anos 1980, os pesquisadores observaram uma relação estrita nos tamanhos de partículas em anéis de Saturno – que aproximadamente seguem uma “lei do inverso do cubo.” Por exemplo, uma partícula duas vezes maior do que a outra será oito vezes menos comum, e uma partícula três vezes maior será 27 vezes menos comum. O novo modelo matemático começa com fusão e fragmentação de partículas, e descobre que a distribuição seria muito semelhante a esta regra de 3 – entre 2,75 e 3,5.
“Normalmente, os astrofísicos tentam resolver seus problemas, mas eles não são equipados com os novas ferramentas [matemáticas] “, disse Brilliantov. Ao longo de sete anos, os pesquisadores estudaram as propriedades mecânicas do gelo, colisões e fragmentação em seu modelo para saber como se comportam grânulos, verificando que a proporção pode emergir do mundo real com regras de partida através de cálculos em um supercomputador.
E a regra é ainda mais ampla do que eles pensavam quando se inicia: Há apenas dois anos, os pesquisadores descobriram que os asteroides têm anéis, também. E os asteroides com anéis Chariklo e Quíron cabem no molde de Saturno, disse Paul Krapivsky, um físico de estatístico na Universidade de Boston e co-autor do estudo. As medições dos anéis dos asteroides que foram medidos são muito, muito menores do que os de Saturno, disse Krapivsky. Mas “eles ainda têm anéis semelhantes”, disse ele. “E não apenas anéis semelhantes .. eles têm distribuições similares Isso é bastante universal”
Quão bem a regra se aplica aos casos extremos, onde os anéis são muito diferentes dos de Saturno, ainda não se sabe.
“É um trabalho teórico interessante”, disse Shawn Brooks, um cientista planetário que trabalha na missão Cassini da NASA para pesquisas nos anéis de Saturno, mas não estava envolvido com o estudo.
Como se verifica em mais casos, o modelo pode ensinar pesquisadores sobre planetas e os asteroides nas quais anéis os cercam. “Agora sabemos como os anéis devem ser construídos”, disse Brilliantov. “Suponha que nós descobrissemos novos anéis, de algum planeta. Apenas das medição da distribuição do tamanho das partículas do anel, podemos dizer se esses anéis são jovens ou se eles já experimentaram algum impacto catastrófico no passado razoável. Se estão em forma de cubo inverso… significa que não aconteceu nada nos últimos 10.000 anos. “
Além disso, ao olhar para o tamanho máximo das partículas, os pesquisadores serão capazes de aprender mais sobre as substâncias a partir dos quais os anéis são formados.
Como o processo complicado de medir anéis distantes é repetido por mais planetas e asteroides, a equipe de investigação vai ter mais e mais situações para alimentar o modelo. Os anéis de Saturno tem chegado a um estado equilibrado, estável, mas outros anéis no universo podem não ser tão bem estabelecida: Brilliantov diz que o próximo passo seria descobrir como anéis evoluem com o tempo.
“Em nosso sistema solar, há uma abundância de anéis que não são explorados”, disse Brilliantov. “Nós sabemos que Netuno tem anéis planetários; Asteroides têm anéis; Nós sabemos que eles existem, mas nada se sabe sobre a distribuição de tamanho das partículas … Se termos informações suficientes, podemos aplicar uma mais bonita, mais complicada e mais abrangente teoria para esses sistemas. Há um monte de coisas para fazer. “
A pesquisa é detalhada na edição de 4 de agosto do Proceedings of the National Academy of Sciences.
traduzido e adaptado de Space