Antes das naves espaciais, como os astrônomos determinavam a massa, o tamanho e a composição dos planetas gigantes?

Antes dos sobrevoos, os cientistas usavam leis matemáticas e observação para determinar as características desses mundos distantes.

Titã é vista aqui cruzando em frente a Saturno. É a maior lua do planeta. Sua descoberta em 1655 permitiu aos astrônomos determinar a massa de Saturno. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute 

Antes das missões espaciais, como os astrônomos determinavam a massa, o tamanho e a composição dos planetas gigantes (Júpiter, Saturno, Urano e Netuno)?

K. Qureshi

Calgary, Alberta 

Excelente pergunta. Astrônomos frequentemente se deparam com a necessidade de buscar informações sobre objetos que não podem visitar para examinar. Em vez disso, eles usam leis matemáticas e observação para determinar as características dos planetas.

Determinar o tamanho de um objeto celeste é relativamente simples, desde que se conheça a distância do objeto e o ângulo que ele subtende do nosso ponto de vista. Embora os planetas Júpiter e Saturno sejam conhecidos desde a antiguidade, suas distâncias em unidades terrestres (ou seja, milhas ou quilômetros) não foram determinadas de forma confiável até que os astrônomos do século XVIII usaram dois trânsitos de Vênus (em 1761 e 1769) para medir pela primeira vez a unidade astronômica, ou UA, em unidades terrestres.

Uma UA é definida como a separação média entre a Terra e o Sol, ou 93 milhões de milhas (150 milhões de quilômetros). Antes dessas medições, a terceira lei de Kepler (1619) permitiu aos astrônomos determinar as distâncias aos outros planetas em termos de UA, mas não em termos de unidades terrestres. Por exemplo, os astrônomos sabiam que a distância heliocêntrica média de Júpiter era de 5,2 UA — 5,2 vezes mais distante do Sol do que a Terra. E uma vez que a UA foi determinada em milhas, também o foram as distâncias a Júpiter e a todos os outros mundos conhecidos do Sistema Solar.

Essas informações, combinadas com observações dos diâmetros angulares dos planetas, facilmente discerníveis com um telescópio, permitiram medições diretas de seus tamanhos.

Determinar a massa de um planeta não requer nada mais do que um corpo em órbita — por exemplo, uma lua. Felizmente, os planetas exteriores os possuem em abundância. Os astrônomos podem usar a modificação de Newton de 1687 da terceira lei de Kepler para determinar as massas de um corpo-mãe e de um corpo em órbita ao seu redor: P 2 = [4π 2 / G ( M 1 + M 2 )]* a 3 

Aqui, P é o período orbital da lua, G é a constante gravitacional, M1 é a massa do planeta, M2 é a massa da lua e a é a distância média entre o planeta e sua lua. Medindo o período orbital de uma lua e determinando a distância em relação ao seu planeta, pode-se calcular a massa combinada de ambos os corpos. Felizmente, as massas das luas tendem a ser desprezíveis em relação aos seus planetas (a lua da Terra é uma exceção notável); portanto, no caso dos planetas mais distantes, a medição de ambas as massas essencialmente fornece a massa do planeta.

As quatro luas galileanas de Júpiter foram descobertas em 1610. A lua de Saturno, Titã, foi descoberta em 1655. William Herschel descobriu Urano em 1781 e, em 1787, também descobriu suas luas Titânia e Oberon. William Lassell descobriu a maior lua de Netuno, Tritão, em 1846, logo após a descoberta do próprio planeta. Assim que os astrônomos conseguiram medir os períodos orbitais dessas luas, puderam determinar as massas dos planetas em torno dos quais elas giravam.

Quanto à composição, os astrônomos podem identificar substâncias químicas nas atmosferas de outros planetas por meio da espectroscopia, ou seja, da análise de sua luz fragmentada por comprimento de onda, chamado espectro. Quando os astrônomos observam o espectro do Sol, eles veem uma série de linhas escuras localizadas em comprimentos de onda específicos.

Essas linhas escuras são produzidas pela absorção de fótons pelas substâncias químicas presentes nas regiões externas do Sol. Cada substância química produz seu próprio espectro de absorção. Pense nesses padrões de absorção como códigos de barras, cada um associado a uma determinada substância química.

Vemos os planetas porque todos eles refletem uma parte da luz solar que recebem para o espaço. Essa luz refletida, quando dividida em um espectro, também inclui linhas escuras produzidas pela absorção de luz por substâncias químicas na atmosfera do planeta. Esse espectro refletido fornece algumas informações diretas sobre a composição química das atmosferas gasosas dos planetas externos.

Edward Herrick-Gleason,

Educador de Astronomia, St. John's, Terra Nova e Labrador

Astronomy.com