Enquanto viajam pelas veredas do Sistema Solar, alguns asteroides estabelecem uma espécie de coreografia que tem como referência a Terra, e também Vênus e Marte. Embora seu percurso não coincida exatamente com o trajeto que os planetas rochosos percorrem, esses corpos celestes levam o mesmo intervalo de tempo para completar uma viagem em torno do Sol.
Eles recebem a classificação de asteroide co-orbital, e isso ocorre devido a um fenômeno gravitacional chamado ressonância orbital. Existem muitos tipos diferentes de ressonância, estabelecidos quando um corpo exerce força gravitacional sobre o outro, influenciando sua movimentação. No caso dos planetas e seus asteroides co-orbitais, o tipo de ressonância envolvida é a 1:1, indicando que eles compartilham uma órbita muito semelhante ao redor do Sol e possuem aproximadamente o mesmo período orbital em torno do astro-rei.
Um estudo liderado pelo pesquisador Valerio Carruba, da Faculdade de Engenharia e Ciências (FEG) da Unesp, câmpus de Guaratinguetá, investigou como esse tipo de influência pode se combinar com outra forma de ressonância gravitacional, o mecanismo von Zeipel–Lidov–Kozai (ZLK), e descobriu que essa interação pode ajudar a manter alguns desses objetos protegidos de encontros próximos com os planetas.
O trabalho, intitulado “Co-orbital asteroids of terrestrial planets affected by the von Zeipel–Lidov–Kozai mechanism”, foi publicado na revista científica Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy e foi homenageado com o prêmio CELMEC IX Prize.
A distinção reconhece os melhores artigos originais publicados nas coleções especiais da revista Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy e, além do trabalho de Carruba, o comitê científico da premiação selecionou outras duas pesquisas. Os três premiados apresentarão suas descobertas durante o nono Encontro Internacional de Mecânica Celeste (CELMEC IX), que será realizado entre 14 e 18 de setembro, em San Martino al Cimino, na Itália. O evento é organizado pela Sociedade Italiana de Mecânica Celeste e Astrodinâmica.
Coordenador do grupo de pesquisa denominado MASB (Machine Learning Applied to Small Bodies), Carruba diz que o reconhecimento representa não apenas uma conquista individual, mas também uma conquista de todo o grupo. “Fomos pegos absolutamente de surpresa. Já tínhamos ficado felizes por conseguir publicar o artigo e o prêmio foi a cereja do bolo”, diz o pesquisador.
Uma dança entre asteroides e planetas
Para entender o estudo, é preciso primeiro imaginar o que significa um asteroide ser co-orbital. Em vez de pensar em um corpo que simplesmente gira ao redor do Sol de maneira independente, pode-se imaginar um objeto que se desloca de forma sincronizada com o movimento de um dado planeta. Embora suas órbitas possam ter formatos e posições diferentes, os dois levam aproximadamente o mesmo tempo para completar uma volta ao redor da nossa estrela. Essa sincronização é consequência da chamada ressonância de movimento médio 1:1.
Um exemplo clássico desse fenômeno são os asteroides troianos de Júpiter. Atualmente, conhecemos cerca de 11.000 desses corpos. Eles compartilham a órbita com o gigante gasoso e se organizam na forma de verdadeiros enxames, com milhares de objetos compartilhando a mesma área.
O estudo de asteroides co-orbitais dos planetas rochosos, entretanto, envolve outros desafios devido a uma combinação de estabilidade gravitacional e dificuldade de observação astronômica.
O primeiro fator reside na massa dos planetas. É essa massa que irá determinar a força de suas “armadilhas” gravitacionais, conhecidas como pontos de Lagrange. Estes pontos nada mais são do que regiões do espaço. Todos os planetas possuem seus respectivos cinco pontos de Lagrange, que recebem a mesma denominação: L1, L2, L3, L4 e L5. Os pontos L1, L2 e L3 são instáveis, enquanto L4 e L5 podem ser estáveis.
Planetas massivos como Júpiter e Netuno possuem regiões de estabilidade dinâmica mais extensas associadas à ressonância 1:1. Isso lhes possibilita manter milhares de pequenos corpos em configurações estáveis por bilhões de anos. Entre essas regiões estão aquelas associadas aos pontos L4 e L5.
No caso dos planetas rochosos, devido às suas massas menores, as regiões de estabilidade associadas à ressonância 1:1 são mais estreitas e os corpos co-orbitais tendem a ser mais suscetíveis às perturbações gravitacionais do restante do Sistema Solar.
“Nossos telescópios espaciais, por exemplo, são enviados para os pontos L1 e L2”, diz Carruba. “Só que, uma vez que se trata de pontos instáveis, precisamos constantemente realizar correções em suas órbitas. Já os objetos nos pontos L4 e L5 conseguem se manter em órbita por muito mais tempo”, diz Carruba.
Além da dificuldade inerente à mecânica celeste, existe uma importante limitação observacional para mapear os asteroides co-orbitais ligados aos planetas rochosos. Como Júpiter e os outros gigantes gasosos orbitam longe do Sol, muitos de seus co-orbitais podem ser observados durante a noite. Já no caso dos co-orbitais de Vênus e de outros planetas cuja posição é interna ao cinturão de asteroides, a observação só é possível quando estão muito próximos da direção do Sol no céu.
Isso dificulta sua visualização, pois o brilho do Sol e as janelas curtas de observação dificultam a detecção dessas rochas, que já são naturalmente pequenas e escuras.
“Há bastante imprecisão em nosso conhecimento de muitas das órbitas dos co-orbitais dos planetas rochosos, uma vez que eles só podem ser observados por intervalos curtos. Vênus é um dos mais complicados: seus asteroides podem ser observados, em média, apenas por duas semanas a cada seis anos. Isso dificulta muito a aquisição de dados”, destaca Carruba. Por conta disso, enquanto o número de asteroides co-orbitais conhecidos dos gigantes gasosos está na ordem dos milhares, no caso dos planetas rochosos esse total não ultrapassa algumas dezenas. Vênus, por exemplo, apresenta atualmente 21 co-orbitais conhecidos; no caso da Terra, são 54, aos quais se somam outros 15 que são temporários; e Marte, o mais fácil de estudar dentre os rochosos, tem 48 co-orbitais confirmados. “Ainda não conhecemos nenhum co-orbital de Mercúrio, justamente por sua posição muito próxima do Sol”, explica o pesquisador.
O mecanismo ZLK
A pergunta central do estudo desenvolvido pelo grupo de Carruba envolvia estabelecer o que ocorre quando os asteroides co-orbitais, já envolvidos na ressonância de movimento médio 1:1, também apresentam a dinâmica associada ao mecanismo von Zeipel–Lidov–Kozai, ou ZLK.
Esse mecanismo descreve oscilações na excentricidade e na inclinação das órbitas dos asteroides decorrentes de perturbações gravitacionais. Nas simulações realizadas pelos pesquisadores, foram consideradas as perturbações de todos os planetas do Sistema Solar e da Lua, permitindo investigar como essa dinâmica afeta a estabilidade dos co-orbitais de Vênus, da Terra e de Marte.
Enquanto a ressonância 1:1 faz com que os asteroides mantenham seu movimento médio sincronizado com o planeta, o mecanismo ZLK pode produzir alterações relacionadas na excentricidade e na inclinação de suas órbitas. A excentricidade descreve o quanto uma órbita se afasta de um círculo perfeito, ou seja, quanto mais oval for uma órbita, maior será sua excentricidade. Já a inclinação indica o quanto o plano da órbita está inclinado em relação a um plano de referência. De forma simplificada, o mecanismo ZLK faz essas duas características oscilarem de maneira correlacionada: quando a excentricidade aumenta, a inclinação tende a diminuir, e vice-versa, tal qual um efeito de gangorra.
Outra característica importante do mecanismo ZLK está relacionada à orientação da órbita do asteroide. Em uma situação não ressonante, um ângulo orbital chamado argumento do periélio pode circular continuamente entre 0° e 360°. Em um estado ZLK, porém, esse ângulo pode passar a oscilar, ou “librar”, em torno de centros de libração específicos, localizados em 0°, 90°, 180° e 270°, ângulos que indicam a posição do asteroide em relação ao planeta. Essa libração restringe a geometria da órbita e, em determinadas configurações, pode evitar que o asteroide se aproxime demais de um planeta, contribuindo para sua estabilidade.
“Estamos investigando essa dinâmica complicada porque muitos desses objetos co-orbitais são extremamente instáveis”, conta Carruba. Alguns desses objetos apresentam um comportamento muito difícil de prever: em cerca de 150 anos, pequenas incertezas sobre sua trajetória podem se tornar muito grandes. Isso indica que suas órbitas são bastante instáveis e caóticas, dificultando previsões precisas sobre onde estarão no futuro.
A busca por compreender essas incertezas é relevante para o acompanhamento desses corpos, e agências espaciais como a Agência Espacial Europeia (ESA) e a Nasa realizam regularmente simulações e mapeamentos de asteroides que podem se aproximar da Terra.
“Muitos desses asteroides são perdidos. Isso significa que passam um tempo nessa configuração co-orbital mas depois vão para outra configuração ou até mesmo saem da região. Mas, justamente por essa instabilidade, é difícil prever qual será a nova rota”, explica o pesquisador.
Um exemplo é o asteroide 2025 TV10, que foi identificado pelo grupo como um novo co-orbital de Vênus. Essa rocha espacial não se encontra em um estado ZLK robusto e sua órbita está próxima de uma região de distância mínima de intersecção orbital com a Terra, o que favorece a ocorrência de aproximações ao longo de milhares de anos.
“Isso significa que se trata de um objeto dinamicamente interessante e que merece ser acompanhado, porque pode ter encontros próximos com a Terra. Mas é muito pequeno e, em caso de colisão, provavelmente seria destruído ao entrar na atmosfera”, explica Carruba. A pesquisa constatou que o mecanismo ZLK pode estabilizar determinadas órbitas e, de certa forma, “proteger” os asteroides de encontros próximos. O achado foi possível graças às simulações das órbitas desses objetos. Entre os asteroides co-orbitais da Terra identificados em estados ZLK robustos, com libração em torno de 0° e 180°, não foram observados encontros próximos com o planeta durante a análise, enquanto uma amostra de co-orbitais não ressonantes apresentou esses encontros. Os pesquisadores estenderam as simulações para escalas da ordem de 100 mil anos com o objetivo de investigar esse possível efeito protetor.
Uma pequena organização em um sistema complexo
Os resultados mostram que, no caso dos objetos em estados ZLK, a ressonância acrescenta uma camada de organização a um sistema que, de outra maneira, poderia ser altamente caótico. Em determinadas condições, a própria dinâmica que faz a órbita oscilar também pode afastar o asteroide de encontros próximos que poderiam alterar radicalmente sua trajetória.
Para Vênus, contudo, os pesquisadores não encontraram atualmente nenhum co-orbital conhecido em um estado ZLK robusto. “Isso não significa que eles não existam”, afirma Carruba, mas destaca uma limitação observacional que pode fazer com que uma parcela dos co-orbitais venusianos permaneça desconhecida, especialmente aqueles de menor excentricidade, que são mais difíceis de detectar.
Em Marte, o comportamento também é diferente. A pesquisa identificou apenas um objeto em um estado ZLK robusto, o 2017 XG62. Em inclinações elevadas, a influência do mecanismo pode aumentar a instabilidade orbital de outros co-orbitais marcianos; o 2017 XG62, entretanto, constitui uma exceção ao permanecer em uma configuração que o protege de encontros próximos com outros planetas rochosos.
Os resultados indicam que, no caso de determinados asteroides e determinadas configurações orbitais, a ressonância ZLK pode alterar a geometria da trajetória de modo a diminuir a probabilidade de encontros próximos e aumentar o tempo de sobrevivência daquela configuração. “Quando existe uma excentricidade muito alta, é possível que comecem a ocorrer encontros próximos com a Terra ou com outros planetas, ou que o objeto possa ser ejetado para fora da ressonância… Enfim, é possível que a configuração do objeto seja completamente alterada. É esse o papel que a ressonância ZLK desempenha: ela pode estabilizar esse objeto. Em vez de ser ejetado, ele pode permanecer em uma órbita estável por um tempo maior”, explica Carruba.
Reconhecimento internacional destaca esforço coletivo
Além da contribuição para a compreensão da dinâmica dos pequenos corpos do Sistema Solar, o trabalho ganhou destaque na comunidade de mecânica celeste. A premiação no CELMEC IX será a segunda recebida pelo MASB. O grupo já havia recebido um prêmio CELMEC em 2023.
Carruba ressalta que o resultado não deve ser entendido como uma conquista exclusivamente pessoal. O artigo reúne pesquisadores vinculados à Unesp, ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe) e à Universidade de Atacama. “Essencialmente, esse é um reconhecimento internacional do trabalho pela comunidade científica. É importante por destacar que a pesquisa que fazemos no Brasil alcança projeção internacional”, diz ele.
O pesquisador destaca que esse reconhecimento contempla anos de trabalho coletivo. “Não é um esforço só meu, mas do grupo MASB. Então, realmente é importante porque valida o trabalho como um todo”, diz ele.