Sistema Solar

Gastão B. Lima Neto Vera Jatenco-Pereira

IAG/USP

AGA 210 – 1° semestre/2017

www.astro.iag.usp.br/~aga210

Tamanhos, distâncias e propriedades

Membros: Planetas Terrestres e Jovianos

Satélites e Anéis

Atmosferas e interiores dos planetas

Cometas, Asteróide, NEOs

Sistema Solar •  Sistema de objetos celestes ligados pela gravitação ao Sol.

•  O Sol corresponde a 99,87% da massa total do Sistema Solar. –  Júpiter corresponde a 0,1%;

–  a Terra corresponde a 0,0003%.

Muitos sistemas planetários ligados a outras estrelas estão sendo descobertos: exoplanetas.

Componentes do Sistema Solar •  Uma estrela (Sol); •  8 planetas e 5 planetas-anões reconhecidos pela UAI; •  asteroides, satélites, cometas; •  meteoroides, poeira e gás.

Asteroides = de ~ 1000 km até 1 metro. Meteoroide = de 1m até pequenos grãos (1 mícron). Poeira = 1 mícron até algumas moléculas.

Enos Picazzio (IAG/USP)

(não há corpos de massa semelhante nas proximidades)

Satélites do Sistema Solar em comparação com a Terra

imagem: NASA/wikipedia

Total 67

Total 27

Total 62

Total 14

Terra (para comparação)

Total 5

1000 km

Sistema Solar •  Os cinco planetas mais brilhantes, visíveis a olho nu, já eram conhecidos

desde a antiguidade.

•  A palavra planeta em grego significa astro errante:

–  o planeta se move em relação às estrelas “fixas”.

•  Depois da invenção do telescópio, outros dois planetas, satélites de outros planetas, asteróides, etc., foram descobertos.

–  4 maiores satélites de Júpiter em 1609 por Galileu (1564–1642).

–  Urano em 1781 por William Herschel (1738–1822).

–  Ceres em 1801 por Giuseppe Piazzi (1746–1826).

–  Netuno em 1846 por Johann Gottfried Galle (1812–1910) após previsão teórica de Urbain Le Verrier (1811–1877) e John Couch Adams (1819–1892).

–  Plutão em 1930 por Clyde Tombaugh (1906–1997).

–  Éris em 2001, Haumea em 2004 e Makemake em 2005, por Michael Brown e a equipe do Observatório do Monte Palomar.

Sistema Solar: nomes Tradicionalmente, os nomes dos corpos do Sistema Solar são associados a entidades mitológicas. Os planetas têm nomes de deuses romanos:

Júpiter, deus dos deuses; Vênus, deusa do amor e da beleza;

Marte, deus da guerra; Plutão, deus do inferno;

Mercúrio, mensageiro dos deuses; Ceres, deusa dos grãos, cereais;

Saturno, pai de Júpiter, deus da agricultura; Haumea, deusa do nascimento (mitologia Havaiana).

Urano, deus do céu e das estrelas; Éris, deusa grega da discórdia;

Netuno, deus do Mar; Makemake, criador da humanidade na mitologia Rapanui (Ilha de Páscoa).

Órbitas (quase) coplanares dos planetas

Plutão

Eclíptica Terra

17o

As órbitas dos planetas estão praticamente no mesmo plano.

A dimensão do sistema solar até Netuno é de ~30 UA.

Planetas anões não obedecem esta regra.

1 Unidade Astronômica (UA) = 149 597 871 km

Éris

44o

Estrutura do Sistema Solar

•  O Sistema Solar vai muito além dos planetas.

•  Depois da órbita de Netuno (30 UA) encontra-se o cinturão de Kuiper, com planetas anões e corpos congelados.

•  Ao redor do Sistema Solar, com uma distribuição esférica está a Nuvem de Oort entre 50 e 100 mil UA.

imagem: NASA/JPL

Júpiter

Plutão

Cinturão de Kuiper

Sedna

Borda interna da Nuvem de Oort

Órbita de Sedna

Marte

Cinturão de Asteróides

Sistema Solar na Via Láctea

•  1 ano-luz = 9,46 x 1012 km. •  1 ano-luz = 63,24 mil vezes distância Terra–Sol (63,24 mil UA). •  Sistema Solar está a cerca de 26 mil anos-luz do centro Galáctico.

Classificação dos planetas Telúricos: Mercúrio, Vênus, Terra e Marte.

Jovianos: Júpiter, Saturno, Urano e Netuno.

Planetas anões: Éris, Plutão, Ceres,..., não se enquadram em nenhuma das categorias.

Propriedades fundamentais dos Planetas

Planetas Telúricos ou Terrestres

(a Lua não é um planeta! Só está aqui para comparação)

Propriedades Físicas Algumas propriedades dos planetas Telúricos e da Lua.

Massa

Raio Densidade Gravidade Superficial

(kg) Terra=1 (km) Terra=1 (kg/m 3 ) Terra=1 Mercúrio 3,3 10 23 0,055 2400 0,38 5400 0,38 Vênus 4,9 10 24 0,82 6100 0,95 5300 0,90 Terra 6,0 10 24 1,00 6400 1,00 5500 1,00 Marte 6,4 10 23 0,11 3400 0,53 3900 0,38 Lua 7,3 10 22 0,012 1700 0,27 3300 0,17

Alta densidade (água: 1000 kg/m3) Tamanho e massa comparáveis à Terra

A região do plano da Eclíptica até 4 UA do Sol é dominada por objetos rochosos: 4 planetas, 1 planeta-anão (Ceres), satélites e milhares de asteróides.

Propriedades orbitais

•  Mercúrio gira 3 vezes em torno de si para cada 2 vezes que gira em torno do Sol Devido ao efeito de ressonância. –  Rotação (dia sideral): 59 dias terrestres. –  Translação: 88 dias terrestres. –  Dia solar: 176 dias terrestres composição de movimentos.

•  Vênus gira no sentido contrário (rotação retrógrada) em 243 dias

terrestres, enquanto a translação dura 224 dias terrestres. –  Colisões durante a formação? O eixo virou de ~180°?

•  O ano marciano é aproximadamente o dobro do ano terrestre e,

devido à inclinação do eixo de rotação, Marte apresenta estações do ano muito parecidas com as da Terra. –  O dia de Marte também é semelhante ao terrestre, 24h39m.

Atmosfera dos planetas telúricos •  Mercúrio

•  Alta temperatura ~700 K (430°C) e pequena massa:

–  Não consegue reter atmosfera; tem 1 tonelada de atmosfera.

•  Sem atmosfera, não retém calor: –  temperatura cai durante a noite a ~100 K

(–173°C). –  Podemos observar as estrelas durante o dia

em Mercúrio. –  Composição: 42% O2, 29% Na, 22% H2,

6% He. •  Origem:

–  emissão de gás do planeta e/ou efeito do vento solar

•  Vênus

•  Atmosfera mais alta e mais densa do que na Terra.

–  Pressão = 90 PTerra. –  Temperatura na superfície = 730 K (460°C,

zinco e chumbo derretem)

–  Composição: 96,5% CO2, 3,5% N2. •  Nuvens com gotas de ácido sulfúrico.

•  Marte

•  Atmosfera: –  Pressão = 1/150 PTerra. –  Tsuperfície = ~ 210 K (–60°C); Máx.: ~20°C. –  Composição: 95,3% CO2, 2,7% N2, 1,6% Ar,

CO, O2, H2O •  Pouca atmosfera, grande variação de

temperatura entre dia e noite (mais de 100°).

Foto obtida pela sonda Venus Express da ESA em 2006. Imagem em cores falsas no ultravioleta.

Atmosfera dos planetas telúricos Efeito estufa em Vênus: A grande concentração de CO2 impede o escape da

radiação infravermelha causando o efeito estufa, o que provoca o aumento da temperatura no planeta. Efeito mais forte em Vênus que na Terra.

Superfície dos planetas telúricos

•  Mercúrio

•  Muito similar a Lua. Crateras não tão altas. Não mostra grandes extensões de lavas (mares lunares).

Foto Mariner 10: distante de 20.000 km de Mercúrio. Mercúrio observado pela sonda Messenger em 2008 a uma altura de 27 mil km. A Messenger ficou em órbita de Mercúrio de 03/2011 até 04/2015.

Superfície dos planetas telúricos •  Vênus •  A superfície não pode ser observada diretamente

–  Mapas são feitos com radares em sondas •  Duas maiores estruturas (“continentes”):

–  Ishtar [próximo do pólo norte] e Aphrodite [no equador].

I s h t a r

A p h r o d i t e

Mapa de altitude produzido com dados da sonda Magellan em 1993

Rhea mons

Theia mons

Atlanta planitia

Montes Maxwell

Há evidências de atividade vulcânica e crateras em Vênus.

Superfície dos planetas telúricos •  Marte •  A superfície pode ser observada facilmente.

–  Mapas são feitos com observações da Terra e sondas

Mapa de altitude produzido pela missão Mars Global Surveyor (1998-2006)

Monte Olimpo, maior vulcão do Sistema Solar; 25 km de altura, 700 km de diâmetro

Vale Marineris, canyon com 4000 km de extensão, 7 km de

profundidade

Alba Patera

Vista sob a perspectiva da sonda Viking 1: terreno rochoso

avermelhado (óxido de ferro). Céu rosa pálido.

Superfície dos planetas telúricos •  Marte: água na superfície e abaixo •  Imagens de canais, interpretados como sendo causados por fluxo de água há

4 bilhões de anos.

Lago de água congelada (e não “gelo seco” pois a temperatura estava alta)

de 10 km de diâmetro (Mars Express Orbiter)

Superfície dos planetas telúricos •  Marte: missões no solo.

Viking 1 & 2 (1976): primeiras imagens feitas no solo marciano

Mars Global Surveyor (1996–2006): mapas e estudos das variações climáticas

Pathfinder (Sojourner depois do pouso, 1996–1997)

Opportunity (2004– ) e Spirit (2004 – 03/2010)

Phoenix Mars Lander (2008): estudou o solo e atmosfera no pólo norte de Marte

As luas de Marte •  Phobos e Deimos foram descobertas em 1877 por Asaph Hall. São muito

irregulares e marcadas por crateras. Acredita-se que são asteróides capturados por Marte (mas há controversia).

Phobos (28x20 km) visto pela Mars Reconnaissance Orbiter. Phobos tem uma órbita baixa (5.800 km acima da superfície) e deverá se desintegrar devido às forças

de maré de Marte em ~ 100 milhões de anos.

Deimos(15x11 km) visto pela Mars Reconnaissance Orbiter, está a 23.460 km de distância de Marte.

Estrutura interna dos planetas telúricos

Enos Picazzio (IAG/USP)

Cinturão de asteróides •  Objetos principalmente entre

Marte e Júpiter

Marte

Ceres

Vesta

Pala

Asteroide significa “objeto com aparência estelar” (aster = estrela em Grego).

Cinturão de Asteroides •  Sonda DAWN entrou em órbita de

Ceres no dia 6/março/2015 .

•  A sonda viajou 7 anos e meio e já orbitou o asteróide Vesta entre julho 2011 e setembro 2012.

•  Ponto brilhante no interior de uma cratera de 92 km de diâmetro de Ceres.

•  Depósito de água? Sal?

Ceres: um planeta

anão no Cinturão.

Vesta

Imagen:JPL/NASA

Vários asteroides (84 conhecidos) têm satélites (ex. Ida e Dactyl): Imagen:JPL/NASA

Planetas jovianos (gigantes gasosos)

Em Júpiter a 20 mil km de profundidade a temperatura sobe para 10 mil K e a pressão chega a 300 mil atmosferas o hidrogênio líquido se torna condutor de eletricidade e daí a sua classificação de “Hidrogênio metálico”.

Rotação dos planetas jovianos

•  Como medir rotação de planetas que não apresentam superfície sólida?

•  Características da atmosfera movem-se a diferentes taxas de rotação diferencial.

•  Júpiter (Pequador = 9h 50m; latitudes 6m a mais).

•  Saturno: diferença entre equador e pólo 56m.

•  Medidas na variação de emissão rádio indicam valores para rotação na região mais interna.

Imagens da sonda New Horizons em 2007 (NASA, Johns Hopkins Univ.)

Júpiter •  Maior planeta do Sistema Solar.

•  Atmosfera: 90% H, 10% He. Traços de metano, amônia e água.

•  Estrutura de bandas (faixas)

•  Propenso a grandes tempestades –  A grande Mancha Vermelha

é um anti-ciclone que já dura mais de 4 séculos e tem 3x o tamanho da Terra.

imagem HST

A Mancha Vermelha é alimentada pelo calor de Júpiter e absorve ciclones menores.

Satélites galileanos Descobertos por Galileu em 1609: Io Europa Ganimede Calisto

animação equivale a cerca de 11 dias

Satélites galileanos

•  Vulcanismo em Io •  Superfície de gelo em Europa

Imagens da sonda Galileo, 1998

•  Diferentes tons nas superfícies de Calisto e Ganimede.

Saturno •  Segundo maior planeta, caracterizado por seu sistema de anéis.

–  Galileu observou os anéis de Saturno em 1610, mas não o reconheceu como tal.

–  Christiaan Huygens descreve os anéis como um disco em 1655.

–  Giovanni Cassini descobre em 1675 que os anéis são múltiplos e com separações entre eles.

–  Em 1859, James Maxwell mostra que os anéis não podem ser sólidos, e sim compostos por partículas.

–  Espessura dos anéis é menor do que 100 metros (80 mil km de largura das componentes mais blilhantes).

Aparência dos anéis ao longo de 30 anos, devido

à inclinação de Saturno em relação ao plano de

sua órbita

Satélites de Saturno

•  Titan, maior lua de Saturno, é maior do que Mercúrio e tem uma atmosfera espessa. Sua atmosfera pode ser semelhante à da Terra primordial.

•  Titan apresenta lagos, nuvens e, provavelmente, até chuva (de metano).

•  Além da Lua, Titan é o único satélite em que uma sonda pousou (Huygens em 2005).

Imagem de David Seal, NASA

imagens da sonda Cassini e Huygens (ESA)de Titan

Urano e Netuno •  Urano foi o primeiro planeta descoberto com o uso de telescópio foi Sir William Herschel

em 1781, que propôs que fosse chamado Georgium Sidus (estrela de Geoge, em homenagem ao rei da Inglaterra).

•  Ao longo do anos, verificou-se que o movimento observado de Urano não coincidia com as previsões teóricas.

•  John Adams, em 1843, e Urbain Le Verrier, em 1845, postularam a existência de um corpo que poderia perturbar o movimento de Urano.

•  Em 1846, Le Verrier enviou seus cálculos ao observatório de Berlin, onde Joahann Galle descobriu Netuno a 1° da posição prevista.

–  Galileu observou Netuno em 1612 e 1613, mas não o reconheceu como planeta.

Urano, observado pelo telescópio Keck em 2004.

Netuno, observado pela sonda Voyager 2 em 1989

Todos os planetas jovianos possuem anéis.

Inclinação de Urano

•  O eixo de rotação de Urano é quase coincidente com o plano orbital. •  Teoria clássica: colisão com um corpo do tamanho da Terra na época de formação. •  Teoria alternativa: evolução lenta devido a uma interação com um satélite (via

ressonância) que já se perdeu. –  este cenário explica as órbitas equatoriais dos satélites de Urano.

G. Boué & J. Laskar, 2010 (BdL, França)

Atmosfera de Urano e Netuno •  Semelhante a Júpiter e Saturno, mas com pouco NH4 (amônia) e mais CH4 (metano)

–  Isto dá a cor mais azulada destes planetas. •  Urano apresenta faixas como Júpiter, mas muito mais fracas. •  Mancha escura de Urano, descoberta em 2006 em imagem do Telescópio Hubble.

Grande Mancha escura de Netuno. Resolução da imagem ~ 50 km. Nuvens rosadas de cristais de gelo de metano (observadas no infravermelho). Mudanças devido às estações do ano em Netuno.

Urano

àsss eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeesssssssssssssssssssttttttttttttttaaaaaaaaaaaaaaaççççççççççççççççõõõõõõõõõõõõõõõõõõõeeeeeeeeeeeesssssssssssssssss ddddddddddddddddddddooooooooooooooooooooooooooo aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo eemmmm Netuuunnnnno.

Netuno

Cinturão de Kuiper

•  Além da órbita de Netuno. •  Muito menor que a nuvem de Oort.

Cinturão de Kuiper: objetos trans-netunianos e planetas anões

Plutão

Caronte

Plutão e Caronte •  Plutão foi descoberto em 1930 por Clyde Tombaugh, foi classificado como

planeta até 2006.

•  Segundo maior planeta anão, com 5 satélites conhecidos. O maior deles é Caronte, descoberto em 1978 por James Christy. Em relação a Plutão, Caronte é enorme.

•  Plutão e Caronte foram visitados pela sonda New Horizons em 07/2015.

Imagem de 2006 do HST

Cometas •  Cometas são “bolas” de gelo com poeira.

–  muitas moléculas orgânicas. Em 2009 foi descoberto um aminoácido, glicina (C2H5NO2), no cometa Wild 2 pela sonda Stardust.

•  A cauda dos cometas sempre apontam na direção oposta do Sol, resultado do vento solar.

Cometa Halley visto da sonda Giotto em 1986

Cometa Lulin. Foto de J. Schedler de 02/2009

Cometa de Halley pintado por Giotto

em 1302 direção do Sol

coma

núcleo

cauda

Tapeçaria de Bayeux, retratando a invasão normanda da Inglaterra em 1066 e a

passagem do cometa de Halley.

Próxima passagem do Halley em 2061.

Cometas

•  Cometas de curto período: órbitas elípticas; origem no cinturão de Kuiper.

órbitas dos cometas com período superior a 200

anos

órbitas de cometas de período curto

•  Cometas de longo período: órbitas parabólicas; origem na nuvem de Oort.

Meteoróides consistem em restos de cometas ou fragmentos de asteróides, que podem colidir entre si ou com os planetas, satélites e asteróides. Quando um meteoróide entra na atmosfera terrestre gera um traço de luz no céu chamado meteoro. Se parte sobrevive e atinge o chão temos um meteorito.

Meteorito do Museu Catavento, São Paulo

Meteoro observado com a Via Láctea de fundo (2009) Foto:Tony Rowell / Astrophotostore.com

Cratera de Meteorito próxima de Flagstaff, Arizona, EUA

1,2 km

Diâmetro inicial do meteorito:

50 m

Impacto há 50.000 anos

•  Entre 5 e 300 toneladas de material atingem a atmosfera da Terra por ano. •  Cerca de 500 meteoritos chegam à superfície da Terra por ano.

–  Em média, a cada ano cai um meteoróide do tamanho de um carro. -  Objetos com menos de ± 25–30 m queimam inteiramente na atmosfera.

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100 milhões

0.01 0.1 1 10 3030.30.03

Diâmetro [km]

0.003

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Fim

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(10 m)

Energia do impacto [megaTon]

1 10 1000.10.01 104 105 106 107 108103

Hir

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ucl

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sen

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1945–1996

O Diário Oficial da Cidade publicou no dia 12/06/2007 o Decreto nº 48.423, assinado pelo prefeito de São Paulo, que cria o Parque Natural Municipal da Cratera da Colônia. Localizado na Área de Proteção Ambiental (APA) Capivari-Monos, no extremo-sul do Município de São Paulo.

Impacto há ~36 milhões de anos

Cratera de Colônia em São Paulo

Asteroides com mais de 500m de diâmetro e passagem a menos de 1 milhão de km.

Pró

xim

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