Existe um nono planeta no Sistema Solar?

- Atualizado no dia 9 de outubro de 2023 -

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Existe, definitivamente, algo misterioso no Sistema Solar causando pertubações gravitacionais anômalas em um agrupamento de corpos presentes no Cinturão de Kuiper. Entre três principais hipóteses, temos duas que merecem destaque e que são igualmente interessantes: a possível presença de um nono planeta ainda não identificado (já apelidado de 'Planeta Nove') ou - a hipótese mais recente - a existência de um pequeno buraco negro incrustado em uma órbita além de Plutão. Mas quais as evidências que fomentam esses dois fantásticos cenários? Quais as outras hipóteses alternativas?

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HIPÓTESE DO PLANETA NOVE

Há cerca de 400 anos, o cientista e astrônomo Galileo Galilei, adotando o telescópio como um instrumento científico, foi o primeiro a, historicamente, tentar mapear a estrutura do Sistema Solar. Porém, mesmo após avanços no campo astronômico ao longo dos séculos, apenas dois grandes corpos - Netuno e Urano - foram descobertos no nosso sistema estelar que não eram conhecidos pelas civilizações antigas, sem nenhuma significativa atualização no catálogo planetário desde 1930. Em contraste, inúmeros objetos de menores dimensões têm sido identificados e caracterizados ao longo do Sistema Solar nas últimas décadas, em particular das bordas da órbita de Netuno até bem além da heliosfera. Teríamos então apenas oito planetas nos domínios da nossa estrela? (!)

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(!) Válido mencionar que a decisão de excluir Plutão como um planeta é controversa. Aliás, a maioria dos cientistas planetários argumentam que muitos outros corpos no Sistema Solar deveriam ser classificados como planetas, incluindo a Lua. Entenda: Decisão de excluir Plutão como planeta é baseada em folclore, astrologia, conclui estudo

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A vasta maioria dos pequenos corpos trans-Neptunianos (rochas congeladas contendo geralmente amônia, água e metano), coletivamente chamados de Cinturão de Kuiper, estão em órbitas que são consistentes com propriedades dinâmicas conhecidas do Sistema Solar. No entanto, os mais extremos membros dessa população - a partir de cerca de ~250 unidades astronômicas (AU)* - seguem órbitas altamente alongadas com períodos medidos em milênios e realizam curiosos e estranhos padrões orbitais. Essas anomalias incluem o notável alinhamento nas orientações de órbitas excêntricas no espaço físico, uma inclinação comum dos planos orbitais, distâncias do periélio que que vão além do alcance gravitacional de Netuno, assim como excursões de objetos trans-Neptunianos em órbitas altamente inclinadas e até mesmo retrógradas. E é aqui que entramos com a primeira hipótese, e primeiro proposta oficialmente em 2016 (Ref.1), mas já sugerida desde 2014 entre astrônomos.

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*1 AU = 149597870700 metros (distância aproximada média da Terra ao Sol)

É argumentado por muitos astrônomos e demonstrado em cálculos teóricos que todos esses padrões orbitais aparentemente estranhos são prontamente explicados se o Sistema Solar possuir um grande planeta adicional, mas ainda não detectado, orbitando a uma distância de cerca de 400-800 AU. A atual estrutura planetária, com oito planetas, não consegue explicar o agrupamento orbital anormal observado no Cinturão de Kuiper - envolvendo cerca de 30 corpos trans-Neptunianos com órbitas altamente elípticas -, desvios observados na órbita da sonda Cassini - uma missão não-tripulada enviada para o planeta Saturno - e a estranha obliquidade do Sol. O Planeta Nove seria uma resposta plausível para essas observações.

Em específico, esse nono planeta proposto (Ref.3) teria uma massa 5-10 vezes aquela da Terra, raio de 2-3,5 vezes o da Terra, uma órbita moderadamente inclinada (~15-25°) e excentricidade em torno de ~0,2-0,5. No entanto, estimativas podem variar muito, incluindo uma massa de 5-15 vezes a da Terra e distância de órbita ao redor do Sol de 300-1000 AU. Considerando um raio orbital de 500 AU, o período de órbita (tempo necessário para uma volta completa ao redor do Sol) seria de ~10 mil anos. Considerando essa distância do Sol, raio e massa, é estimado que o albedo (refletância da luz solar) do planeta tenha um limite inferior de 40%.

Cenários de formação ainda são muito incertos e problemáticos, mas englobam três mecanismos possíveis: (I) ocorrido in situ, ou seja, dentro dos domínios da Nebulosa Solar durante a formação do Sistema Solar e permanecido na sua atual posição prevista; (II) na faixa de formação dos planetas gigantes (e depois dispersado para longe via interação gravitacional com outros planetas); (III) ou mesmo um planeta capturado pela gravidade da nossa estrela a partir de outro sistema planetário primordialmente associado ao local de nascimento do Sol. Entre os principais problemas associados com esses três cenários, temos:

I. Na formação in situ a uma órbita de 500 AU, não parece existir tempo e material suficientes para construir um planeta nem mesmo com a massa da Terra, com base nos atuais modelos teóricos de formação planetária.

II. A chance de um planeta ser formado próximo de Urano e de Netuno, e então ser arremessado para longe, é baixa porque em ordem de um planeta nessas condições permanecer em uma nova órbita estável seria necessário uma influência apropriada de uma estrela transiente externa (ou outro mecanismo astrofísico não conhecido).

III. A probabilidade de capturar um planeta desgarrado do seu sistema planetário original é quase improvável, com estimativas diferindo em ordens de magnitude dependendo dos parâmetros de análise. Isso porque enquanto que as densidades dentro de um berçário de estrelas são apropriadas (em torno de 1/200 pc³), esses ambientes são altamente disruptivos, e planetas que escapam de um sistema estelar muito provavelmente não irão interagir de forma estável com outras estrelas próximas.

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> Para quem quiser mais detalhes sobre a hipótese do Planeta Nove (matemáticos e observacionais), consulte o estudo de revisão na Ref.3.

Considerando sua distância e albedo, o Planeta Nove seria prontamente observável pela atual geração de telescópios com amplas câmeras de campo, como a Dark Energy Camera do telescópio Blanco (4 metros) no Chile e a Hyper-Suprime Camera do telescópico Subaru no Havaí. Além disso, temos o Telescópio de Larga Escala Sinóptico (LSST), hoje sendo construído no Chile e previsto para entrar em operação em 2022. Nesse sentido, cientistas esperam observar o Planeta 9 dentro de uma década, caso ele exista. Observações via infravermelho e baseadas (indiretamente) em assinaturas gravitacionais específicas podem também confirmá-lo.

Mesmo com um alto albedo e grandes dimensões, é difícil observar diretamente esse possível planeta devido à enorme distância do Sol e, consequentemente, baixa luminosidade incidente. Outros planetas em outros sistemas estelares na nossa galáxia são mais facilmente observáveis - mesmo estando vários anos-luz mais distantes - porque eles passam na frente das suas estrelas em relação a nós, ou seja, as observações não dependem de refletância, mas da diminuição de brilho temporária da estrela.

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HIPÓTESE DO BURACO NEGRO

Mas se ao invés de capturar um planeta, nosso Sistema Solar capturou um pequeno buraco negro primordial com uma massa equivalente a várias daquela terrestre? De fato, esse cenário de captura é frequentemente considerado o mais plausível para explicar a suposta presença do Planeta Nove afetando os objetos trans-Neptunianos, e, segundo um estudo publicado em 2020 no periódico Physical Review Letters (Ref.4), a probabilidade de captura de tal buraco negro é comparável.

Além da anomalia gravitacional no Cinturão de Kuiper, existe também um conjunto de anomalias gravitacionais observadas nos últimos anos pelo Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), um projeto astronômico Polonês associado à Universidade de Varsóvia e cujo objetivo é detectar e classificar estrelas variantes (ex.: pulsares), eventos de micro-lentes gravitacionais, Nuvens Magelânicas, entre outros fenômenos astronômicos. O OGLE têm reportado um excesso de seis ultra-curtos eventos de micro-lentes gravitacionais (lente gravitacional é quanto a radiação eletromagnética é desviada devido a campos gravitacionais, produzindo um aparente aumento dos corpos espaciais) (1) com tempos cruzados de 0,1-0,3 dias. Os objetos ampliados com esse efeito estão localizados em direção ao bojo galático, a cerca de 8 quiloparsecs (kpc)* de distância. Esses eventos correspondem a uma ampliação gravitacional de objetos com massa de 0,5-20 vezes aquela do nosso planeta, e podem ser interpretados como uma inesperada população de planetas livres no meio interestelar ou como Buracos Negros Primordiais (PBHs) (1).

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*1 quiloparsec = 30,857x10^15 km

Enquanto que um objeto com tais intervalos limites de massa são muito pouco massivos para serem um buraco negro formado via colapso estelar, os PBHs emergem via densidades nos primórdios do Universo e, como resultado, podem ser substancialmente menos massivos do que um buraco negro estelar. Os PBHs são intrigantes corpos formados a partir de flutuações de densidade durante o domínio radioativo do Universo, devido a um aumento na energia primordial espectral.

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Leitura recomendada:

Nesse sentido, os pesquisadores no novo estudo estimaram um PBH com uma massa de 5 massas terrestres influenciando gravitacionalmente o Cinturão de Kuiper. Tal buraco negro teria uma temperatura de Hawking de 0,004 K e um raio de apenas 5 cm. Enquanto que o poder de emissão radiativa (radiação de Hawking) (1) de tal buraco negro é minúscula, não sendo possível observá-lo dessa maneira, seu halo de matéria escura (3) - o qual teoricamente se estenderia por até 1 bilhão de quilômetros em todas as direções - pode, em eventos de aniquilação (interação entre matéria escura e anti-matéria escura, por exemplo), liberar clarões de raios gama possíveis de serem detectados. Nesse sentido, telescópios espaciais como o Fermi Gamma-ray Space Telescope (em órbita ao redor da Terra) poderiam identificar o PBH proposto.

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HIPÓTESES ALTERNATIVAS

Enquanto não houver confirmação de um nono planeta super-Terra ou de um buraco negro primordial, as especulações continuam em aberto, incluindo a possibilidade de erro estatístico de observação astronômica relativo aos agrupamentos de objetos trans-Neptunianos. Porém, esse cenário de erro estatístico (não-existência de anomalias orbitais) alegadamente possui uma probabilidade de menos de 1%, com um estudo publicado em 2019 no periódico The Astronomical Journal (Ref.5) estimando algo não superior a 0,2%. Por outro lado, em um estudo publicado em 2021 no periódico Planetary Science Journal (Ref.7), pesquisadores da Universidade de Michigan, EUA, não conseguiram rejeitar a hipótese de que os mais extremos membros de pequenos corpos trans-Neptunianos estão uniformemente distribuídos ao longo do Sistema Solar (probabilidade entre 17% e 94%), o que rejeitaria a evidência suportando um Planeta Nove, ou seja, a existência de supostas anomalias orbitais associadas a esses objetos. Para essa conclusão, os pesquisadores reuniram dados de 14 desses corpos descobertos em três diferentes observações via telescópios (incluindo o Dark Energy Survey e o Outer Solar System Origins Survey). Todas as três observações mostraram trazer análises tendenciosas dos objetos. Porém, outros astrônomos estão ainda céticos quanto aos resultados do estudo, este o qual não possui uma robusta amostragem de dados (Ref.8). Segundo esses astrônomos, a hipótese do Planeta Nove continua forte.

Outra explicação seria a existência de vários corpo não-detectados na parte mais distante do Cinturão de Kuiper ainda não observados, somando uma massa de 1-10 vezes a da Terra.

Nesse último cenário, temos um estudo também publicado em 2019 no The Astronomical Journal (Ref.6), e conduzido por pesquisadores da Universidade de Cambridge e da Universidade Americana de Beirut, onde a alternativa a um nono planeta seria um disco constituído de pequenos corpos gelados com uma massa combinada ideal em torno 10 vezes a da Terra e uma excentricidade máxima de 0,20-0,25. Quando o modelo construído para o disco foi combinado com um modelo simplificado do Sistema Solar, a influência gravitacional observada nos cálculos conseguiu explicar razoavelmente bem os comportamentos anômalos no Cinturão de Kuiper. Os pesquisadores também argumentaram ser possível a existência tanto do Planeta Nove quando do disco, ambos combinados para explicar as anomalias orbitais.

No caso da hipótese do buraco negro primordial, é possível também que outros corpos astronômicos compactos exóticos sejam os responsáveis pelas anomalias gravitacionais, como estrelas de Bose, micro-halos de matéria escura ou estrelas de matéria escura. Tais cenários, porém, são substancialmente mais improváveis do que um PBH.

Mais recentemente, cientistas propuseram que as anomalias associadas ao alegado Planeta Nove podem ser evidência de efeitos previstos por uma teoria modificada da gravidade conhecida como Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND) (Ref.9). Essa teoria sugere alterações nas equações de Newton no âmbito de galáxias e aglomerados de forma que não seja necessário o uso da matéria escura como explicação para o que é observado, como a rotação galáctica. No MOND, a famosa lei da gravidade de Newton é válida até certo ponto, quando a aceleração gravitacional prevista por essa lei se torna pequena o suficiente - permitindo um comportamento gravitacional distinto tomar controle. Evidência relevante para o MOND emerge a escalas galácticas, mas existe grande ceticismo da comunidade científica relativo à essa proposta teórica.

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CONCLUSÃO

Existem três principais modelos propostos para as anomalias gravitacionais observadas no Cinturão de Kuiper, e cada um deles merece atenção. Mesmo com as limitações nos mecanismos de formação do Planeta Nove, temos que nos lembrar, por exemplo, do planeta GJ 3512b, orbitando a estrela GJ 3512 (4) a cerca de 30 anos-luz distante de nós, o qual não deveria existir sob o atual modelo teórico de formação planetária, mas mesmo assim existe.

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(4) Leitura recomendada: Cientistas encontram um planeta que não deveria existir

REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS

Bailey, E., Batygin, K., Brown, M.E., 2016. Solar obliquity induced by planet nine. Astron. J. 152, 126.
https://solarsystem.nasa.gov/solar-system/kuiper-belt/overview/
Batygin, K., Adams, F. C., Brown, M. E., & Becker, J. C. (2019). The planet nine hypothesis. Physics Reports.
Scholtz & Unwin (2020). "What If Planet 9 Is a Primordial Black Hole?" Physical Review Letters 125, 051103. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.051103
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/aaf051/meta
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/aaf0fc
Napier et al. (2021). No Evidence for Orbital Clustering in the Extreme Trans-Neptunian Objects. The Planetary Science Journal 2, 59. https://doi.org/10.3847/PSJ/abe53e
https://www.sciencemag.org/news/2021/02/claim-giant-planet-nine-solar-systems-edge-takes-hit
Brown & Mathur (2023). Modified Newtonian Dynamics as an Alternative to the Planet Nine Hypothesis. The Astronomical Journal 166, 168. https://doi.org/10.3847/1538-3881/acef1e