Ilustração das variações entre os mais de 5000 exoplanetas conhecidos descobertos desde a década de 1990.
Crédito: NASA/JPL-Caltech
Um novo modelo que explica a interação de forças que atuam sobre os planetas recém-nascidos pode explicar duas observações intrigantes que surgiram repetidamente entre os mais de 3800 sistemas planetários catalogados até à data.
Um puzzle conhecido como "vale-raio" refere-se à raridade de exoplanetas com um raio cerca de 1,8 vezes superior ao da Terra. O observatório Kepler da NASA observou planetas deste tamanho com cerca de 2-3 vezes menos frequência do que observou super-Terras com raios cerca de 1,4 vezes o da Terra e mini-Neptunos com raios cerca de 2,5 vezes o da Terra. O segundo mistério, conhecido como "ervilhas numa vagem", refere-se a planetas vizinhos de tamanho semelhante que foram encontrados em centenas de sistemas planetários. Estes incluem TRAPPIST-1 e Kepler-223, que também apresentam órbitas planetárias de harmonia quase musical.
"Creio que somos os primeiros a explicar o vale-raio usando um modelo de formação planetária e evolução dinâmica que, de forma autoconsistente, explica as múltiplas restrições das observações", disse André Izidoro, da Universidade Rice, autor de um estudo publicado esta semana na revista The Astrophysical Journal Letters. "Também somos capazes de mostrar que um modelo de formação planetária que incorpora impactos gigantescos é consistente com a característica 'ervilhas numa vagem' dos exoplanetas".
Izidoro, pós-doutorado do projeto CLEVER Planets (Cycles of Life-Essential Volatile Elements in Rocky Planets) da Universidade Rice, financiado pela NASA, e coautores utilizaram um supercomputador para simular os primeiros 50 milhões de anos de desenvolvimento de sistemas planetários utilizando um modelo de migração planetária. No modelo, discos protoplanetários de gás e poeira que dão origem a jovens planetas também interagem com eles, puxando-os para mais perto das suas estrelas-mãe e fechando-os em cadeias orbitais ressonantes. As cadeias são quebradas em apenas alguns milhões de anos, quando o desaparecimento do disco protoplanetário causa instabilidades que levam dois ou mais planetas a colidirem um com o outro.
Modelos de migração planetária têm sido utilizados para estudar sistemas planetários que mantiveram as suas cadeias orbitais ressonantes. Por exemplo, Izidoro e os colegas do CLEVER Planets usaram um modelo de migração em 2021 para calcular a quantidade máxima de perturbações a que o sistema de sete planetas TRAPPIST-1 poderia ter resistido durante o bombardeamento e ainda retido a sua estrutura orbital harmoniosa.
No novo estudo, Izidoro associou-se aos investigadores Rajdeep Dasgupta e Andrea Isella do CLEVER Planets, ambos da Universidade rice, a Hilke Schlichting da Universidade da Califórnia, Los Angeles, e a Christian Zimmermann e Bertram Bitsch do Instituto Max Planck para Astronomia em Heidelberg, Alemanha.
"A migração de jovens planetas em direção às suas estrelas hospedeiras cria sobrelotação e resulta frequentemente em colisões cataclísmicas que roubam as atmosferas ricas em hidrogénio dos planetas", disse Izidoro. "Isso significa que impactos gigantescos, como o que formou a nossa Lua, são provavelmente um resultado genérico da formação planetária".
A investigação sugere que os planetas vêm em dois "sabores", super-Terras que são secas, rochosas e 50% maiores do que a Terra, e mini-Neptunos que são ricos em água gelada e cerca de 2,5 vezes maiores do que a Terra. Izidoro disse que novas observações parecem apoiar os resultados, que entram em conflito com a visão tradicional de que tanto as super-Terras como os mini-Neptunos são exclusivamente mundos secos e rochosos.
Com base nos seus resultados, os investigadores fizeram previsões que podem ser testadas pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA. Sugerem, por exemplo, que uma fração de planetas com cerca do dobro do tamanho da Terra, tanto vão conservar a sua atmosfera primordial, rica em hidrogénio, como serão ricos em água.
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