PLANETAS PARECIDOS COM A TERRA COSTUMAM TER "GUARDA-COSTAS" 16 de outubro de 2020
Impressão artística de um sistema planetário com duas super-Terras e um Júpiter em órbita de uma estrela parecida com o Sol. As simulações mostram que os discos protoplanetários massivos, além de super-Terras com pequenas quantidades de gelo e gás, frequentemente formam um Júpiter frio nas regiões exteriores dos sistemas planetários.
Crédito: Departamento gráfico do Instituto Max Planck para Astronomia
Um grupo internacional de astrónomos, liderado por Martin Schlecker do Instituto Max Planck para Astronomia, descobriu que o arranjo de planetas rochosos, gasosos e gelados nos sistemas planetários aparentemente não é aleatório e depende apenas de algumas condições iniciais. O estudo, a ser publicado na revista científica Astronomy & Astrophysics, é baseado numa nova simulação que acompanha a evolução dos sistemas planetários ao longo de vários milhares de milhões de anos. Os sistemas planetários em torno de estrelas parecidas com o Sol, que produzem nas suas regiões interiores super-Terras com baixo teor de água e gás, formam-se muitas vezes com um planeta comparável ao nosso Júpiter numa órbita exterior. Estes planetas ajudam a manter objetos potencialmente perigosos longe das regiões internas.
Os cientistas suspeitam que o planeta Júpiter desempenhou um papel importante no desenvolvimento da vida na Terra, porque a sua gravidade frequentemente desvia asteroides e cometas potencialmente perigosos das suas órbitas em direção à zona dos planetas rochosos de tal forma que reduz o número de colisões catastróficas. Esta circunstância, portanto, levanta repetidamente a questão de saber se tal combinação de planetas é bastante aleatória, ou se é um resultado comum da formação de sistemas planetários.
Super-Terras secas e Júpiteres frios
Cientistas do Instituto Max Planck para Astronomia em Heidelberg, Alemanha, da Universidade de Berna e da Universidade do Arizona encontraram fortes evidências de que os planetas rochosos semelhantes à Terra ocorrem visivelmente com frequência em conjunto com um planeta semelhante a Júpiter que está numa órbita mais larga. "Chamamos a estes gigantes gasosos Júpiteres frios. Crescem longe da estrela central, onde a água existe sob a forma de gelo," explica Martin Schlecker, estudante de doutoramento no Instituto Max Planck para Astronomia em Heidelberg, que liderou o estudo. Os planetas semelhantes à Terra estudados são os chamados super-Terras secas, isto é, planetas rochosos maiores e mais massivos do que a Terra, que têm apenas uma fina atmosfera e quase nenhuma água ou gelo. Povoam o interior, ou seja, a zona temperada dos sistemas planetários e são muito parecidos com a Terra, à exceção do seu tamanho. "Além disso, a Terra, apesar dos enormes oceanos e das regiões polares, tem uma fração de volume de água de apenas 0,12% do total, sendo um planeta seco", destaca Schlecker.
Encontrar um Júpiter frio juntamente com uma super-Terra rica em gelo na região interior é, portanto, quase impossível. Além disso, invólucros extensos e densos de gás são encontrados principalmente em super-Terras massivas.
Simulações fornecem informações sobre processos que são difíceis de medir
Estas conclusões são baseadas numa avaliação estatística de novas simulações de 1000 sistemas planetários que estão a evoluir num disco protoplanetário em torno de uma estrela semelhante ao Sol. Estas simulações são a mais recente conquista de uma colaboração de longa data entre a Universidade de Berna e o Instituto Max Planck para Astronomia com o objetivo de estudar as origens dos planetas segundo uma perspetiva teórica. Partindo de condições iniciais aleatórias, por exemplo as massas de gás e matéria sólida, o tamanho do disco e as posições das células-semente de novos planetas, os cientistas acompanharam o ciclo de vida destes sistemas ao longo de vários milhares de milhões de anos. "Durante as simulações, os embriões planetários recolheram material, cresceram para planetas, mudaram as suas órbitas, colidiram ou foram ejetados do sistema," descreve Christoph Mordasini, da Universidade de Berna e coautor do artigo científico, acerca dos processos simulados. Os sistemas planetários simulados eventualmente tinham planetas de diferentes tamanhos, massas e composições em diferentes órbitas em torno da estrela central.
Hubert Klahr, chefe do grupo de trabalho sobre a teoria de formação planetária do Instituto Max Planck para Astronomia, explica: "Estas simulações apoiam a investigação de sistemas exoplanetários, já que planetas como os Júpiteres frios requerem muito tempo para orbitar a sua estrela-mãe em órbitas largas". Isto torna difícil encontrá-los por meio de observação, de modo que a busca por exoplanetas não reflete de forma realista a composição real dos sistemas planetários. É mais provável que os astrónomos encontrem planetas de grande massa em órbitas próximas em torno de estrelas de baixa massa. "As simulações, por outro lado, são, em princípio, independentes destas limitações," acrescenta Klahr.
Observações e simulações não correspondem
"Nós queríamos verificar uma descoberta surpreendente após as observações feitas nos últimos anos de que os sistemas planetários com um Júpiter frio quase sempre contêm uma super-Terra", diz Schlecker. Por outro lado, cerca de 30% de todos os sistemas planetários nos quais as super-Terras se formam também parecem ter um Júpiter frio. Seria plausível esperar que os planetas massivos são mais propensos a perturbar os sistemas planetários durante a sua formação de tal forma que a formação de outros planetas saia prejudicada. No entanto, estes Júpiteres frios parecem estar suficientemente distantes do interior, de modo que a sua influência no desenvolvimento parece ser bastante pequena.
No entanto, a avaliação dos sistemas planetários simulados não pôde confirmar esta tendência. Apenas um-terço de todos os Júpiteres frios estava acompanhado por pelo menos uma super-Terra. Em adição, os astrónomos encontraram um Júpiter frio em apenas 10% de todos os sistemas planetários sintéticos com super-Terras. Assim, as simulações mostram que as super-Terras e os Júpiteres frios são apenas um pouco mais prováveis de ocorrerem juntos num sistema planetário do que se aparecessem sozinhos. Os cientistas atribuem este resultado a vários motivos.
Uma explicação tem a ver com o ritmo a que os planetas gasosos gradualmente migram para dentro. A teoria da formação planetária parece prever ritmos mais altos do que o observado, levando a uma maior acumulação de gigantes gasosos nas órbitas intermédias de distância. Nas simulações, estes "Júpiteres amenos" interferem com as órbitas interiores e fazem com que mais super-Terras sejam ejetadas ou mesmo colidam em colisões gigantescas. Com uma tendência um pouco inferior à dos planetas gasosos simulados migrarem, permaneceriam mais das super-Terras, o que seria mais compatível com as observações.
Simulações preveem descobertas futuras
Atualmente, as observações apenas distinguem aproximadamente entre os diferentes tipos de super-Terras, porque a sua caracterização exata exigiria medições precisas que dificilmente são possíveis com os instrumentos de hoje. No entanto, nas simulações do grupo de Berna-Heidelberg, isto é alcançado traçando o caminho de um planeta dentro do disco protoplanetário e dos seus encontros com outros planetas. "Descobrimos um excesso significativo de sistemas planetários contendo um Júpiter frio e pelo menos uma super-Terra seca, isto é, com pouca água ou gelo, e no máximo uma fina atmosfera," observa Schlecker. Uma comparação com dados observacionais é difícil, porque dos aproximadamente 3200 sistemas planetários conhecidos até à data, apenas 24 foram comprovados como comparáveis a tal constelação (termo utilizado no sentido figurado). No entanto, os resultados disponíveis estão de acordo. Por outro lado, dificilmente existem sistemas planetários onde super-Terras com uma alta proporção de gelo e um Júpiter frio podem ser encontrados simultaneamente.
Com base nestes achados, os astrónomos deste estudo desenvolveram um cenário que poderia explicar a formação destes tipos bastante diferentes de sistemas planetários. Como as simulações mostram, a constelação final é determinada principalmente pela massa do disco protoplanetário, ou seja, a quantidade de material disponível para a acreção de planetas.
Em discos com massa média, não há material suficiente para a região interior, mais quente, produzir super-Terras. Ao mesmo tempo, a quantidade é também muito pequena nas regiões exteriores para lá da "linha de neve", onde a água está presente na forma gelada e a proporção de pedaços de gelo é bastante grande, para formar planetas massivos como Júpiter. Em vez disso, o material aí condensa-se em super-Terras com uma alta proporção de gelo e com um invólucro gasoso possivelmente estendido. Estas super-Terras gradualmente migram para dentro. Em contraste, há material suficiente nos discos massivos para formar planetas rochosos semelhantes à Terra a distâncias moderadas da estrela central e para formar planetas gigantes frios para lá da "linha de neve". Estes planetas rochosos são pobres em gelo e gás. Fora da órbita do Júpiter frio, podem formar-se super-Terras ricas em gelo, mas a sua migração na direção radial é limitada pela influência do gigante gasoso. Portanto, não podem entrar na zona interior quente.
A verificação da previsão só será possível dentro de alguns anos
No entanto, só será possível verificar este conceito com telescópios poderosos como o ELT (Extremely Large Telescope) do ESO ou com o JWST (James Webb Space Telescope). Espera-se que ambos estejam operacionais nesta década. "As previsões teóricas devem ser capazes de falhar diante da experiência empírica," exige Schlecker. "Com os instrumentos de próxima geração, que serão implantados, seremos capazes de testar se o nosso modelo aguenta ou se temos que voltar atrás."
Em princípio, este resultado também pode aplicar-se a planetas rochosos secos, que têm mais ou menos o tamanho e a massa da Terra. Portanto, pode não ser uma coincidência que o Sistema Solar contenha um planeta como Júpiter e também a Terra. No entanto, os dispositivos de medição disponíveis hoje não são sensíveis o suficiente para detetar de forma eficaz gémeos da Terra em grande número por meio de observações. Por esta razão, os astrónomos atualmente ainda devem limitar-se ao estudo dos homólogos massivos da Terra. Somente com o ELT e com o JWST podemos esperar progressos nesta direção.
Diagrama esquemático dos cenários de como, segundo as simulações analisadas, as super-Terras geladas (a) ou as super-Terras rochosas (pobres em gelo) se formam juntamente com um Júpiter frio (b). A massa do disco protoplanetário determina o resultado.
Crédito: Schlecker et al./Instituto Max Planck para Astronomia
