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A migração resolve puzzle exoplanetário
13 de fevereiro de 2024
 

Representação artística de um exoplaneta cuja água gelada à superfície está a vaporizar e a formar uma atmosfera durante a sua aproximação à estrela central do sistema planetário. Este processo aumenta o raio planetário medido em comparação com o valor que o planeta teria no seu local de origem.
Crédito: Thomas Müller (Instituto Max Planck de Astronomia)
 
     
 
 
 

Astrónomos da Alemanha e da Suíça descobriram evidências de como surge a enigmática lacuna na distribuição do tamanho dos exoplanetas a cerca de dois raios terrestres. As suas simulações em computador demonstram que a migração dos chamados sub-Neptunos gelados, para as regiões interiores dos seus sistemas planetários, pode explicar este fenómeno. À medida que se aproximam da estrela central, a evaporação da água gelada forma uma atmosfera que faz com que os planetas pareçam maiores do que no seu estado gelado. Simultaneamente, os planetas rochosos mais pequenos perdem gradualmente uma parte do seu invólucro gasoso original, fazendo com que o seu raio medido diminua com o tempo.

Normalmente, os planetas em sistemas planetários evoluídos, como o Sistema Solar, seguem órbitas estáveis em torno da sua estrela central. No entanto, muitas indicações sugerem que alguns planetas podem afastar-se dos seus locais de nascimento durante a evolução inicial, migrando para o interior ou para o exterior. Esta migração planetária pode também explicar uma observação que intriga os investigadores há vários anos: o número relativamente baixo de exoplanetas com tamanhos que rondam o dobro do da Terra, conhecido como a lacuna ou "vale" do raio, entre outros termos. Em ambos os lados deste "vale", existem muitos exoplanetas mais pequenos e maiores.

"Há seis anos, uma reanálise dos dados do telescópio espacial Kepler revelou uma escassez de exoplanetas com tamanhos à volta de dois raios da Terra", explica Remo Burn, investigador exoplanetário no Instituto Max Planck de Astronomia, em Heidelberg. É o autor principal do artigo científico que relata os resultados descritos neste texto, agora publicado na revista Nature Astronomy.

Qual a origem do "vale" do raio?

"De facto, nós - tal como outros grupos de investigação - previmos, com base nos cálculos, mesmo antes desta observação, a existência dessa lacuna", explica o coautor Christoph Mordasini, membro do NCCR (National Centre of Competence in Research) PlanetS. Dirige a Divisão de Investigação Espacial e Ciências Planetárias da Universidade de Berna. Esta previsão teve origem durante o seu mandato como cientista no Instituto Max Planck de Astronomia, que há muitos anos investiga este domínio em conjunto com a Universidade de Berna.

O mecanismo mais frequentemente sugerido para explicar o aparecimento de uma tal lacuna do raio é que os planetas podem perder uma parte da sua atmosfera original devido à irradiação da estrela central - especialmente gases voláteis como o hidrogénio e o hélio. "No entanto, esta explicação ignora a influência da migração planetária", esclarece Burn. Foi estabelecido há cerca de 40 anos que, sob certas condições, os planetas podem mover-se para dentro e para fora dos sistemas planetários ao longo do tempo. A eficácia desta migração e a sua influência no desenvolvimento dos sistemas planetários tem impacto na formação da lacuna do raio.

 
Distribuição do tamanho dos exoplanetas observados e simulados com raios inferiores a cinco vezes o da Terra. O número de exoplanetas diminui entre 1,6 e 2,2, produzindo um "vale" pronunciado na distribuição. Em vez disso, há mais planetas presentes com tamanhos à volta de 1,4 e 2,4 raios da Terra. As últimas simulações, que pela primeira vez têm em conta propriedades realistas da água, indicam que os planetas gelados que migram para o interior dos sistemas planetários formam atmosferas espessas de vapor de água. Isto faz com que pareçam maiores do que seriam no seu local de origem. Isto produz o pico em cerca de 2,4 raios terrestres. Ao mesmo tempo, os planetas rochosos mais pequenos perdem parte do seu invólucro gasoso original ao longo do tempo, fazendo com que o seu raio medido diminua e contribuindo assim para a acumulação em cerca de 1,4 raios terrestres.
Crédito: R. Burn, Ch. Mordasini/Instituto Max Planck de Astronomia
 

Os enigmáticos sub-Neptunos

Dois tipos diferentes de exoplanetas habitam a gama de tamanhos que rodeiam a lacuna. Por um lado, temos os planetas rochosos, que podem ser mais massivos do que a Terra e são por isso chamados super-Terras. Por outro lado, os astrónomos estão a descobrir cada vez mais os chamados sub-Neptunos (ou mini-Neptunos) em sistemas planetários distantes, que são, em média, ligeiramente maiores do que as super-Terras.

"No entanto, não temos esta classe de exoplanetas no Sistema Solar", salienta Burn. "É por isso que, ainda hoje, não sabemos exatamente qual a sua estrutura e composição."

Ainda assim, os astrónomos concordam em geral que estes planetas possuem atmosferas significativamente mais extensas do que os planetas rochosos. Consequentemente, a compreensão da forma como as características destes sub-Neptunos contribuem para o "vale" do raio tem permanecido incerta. Poderá a diferença sugerir que estes dois tipos de mundos nascem de forma diferente?

Planetas gelados errantes

"Com base em simulações que já publicámos em 2020, os últimos resultados indicam e confirmam que a evolução dos sub-Neptunos após o seu nascimento contribui significativamente para a observada lacuna do raio", conclui Julia Venturini, da Universidade de Genebra, membro da colaboração PlanetS acima referida e que liderou o estudo de 2020.

Nas regiões geladas dos seus locais de nascimento, onde os planetas recebem menos radiação da estrela, os sub-Neptunos deveriam, de facto, ter tamanhos ausentes da distribuição observada. À medida que estes planetas presumivelmente gelados migram para mais perto da estrela, o gelo derrete, eventualmente formando uma espessa atmosfera de vapor de água.

Este processo resulta numa mudança nos raios dos planetas para valores maiores. Afinal de contas, as observações utilizadas para medir os raios planetários não conseguem distinguir se o tamanho determinado se deve apenas à parte sólida do planeta ou a uma densa atmosfera adicional.

Ao mesmo tempo, como já foi sugerido anteriormente, os planetas rochosos "encolhem" ao perderem a sua atmosfera. No geral, ambos os mecanismos produzem uma ausência de planetas com tamanhos à volta de dois raios terrestres.

Modelos físicos que simulam sistemas planetários

"A investigação teórica do grupo de Berna-Heidelberg já fez avançar significativamente, no passado, a nossa compreensão da formação e composição dos sistemas planetários", explica Thomas Henning, diretor do Instituto Max Planck de Astronomia. "O estudo atual é, portanto, o resultado de muitos anos de trabalho de preparação conjunta e de melhorias constantes dos modelos físicos."

Os resultados mais recentes derivam de cálculos de modelos físicos que traçam a formação e subsequente evolução dos planetas. Estes modelos englobam processos nos discos de gás e poeira que rodeiam as estrelas jovens e que dão origem a novos planetas. Estes modelos incluem o aparecimento de atmosferas, a mistura de diferentes gases e a migração radial.

"No centro deste estudo estão as propriedades da água a pressões e temperaturas que ocorrem no interior dos planetas e nas suas atmosferas", explica Burn. Compreender como a água se comporta numa vasta gama de pressões e temperaturas é crucial para as simulações. Só nos últimos anos é que este conhecimento tem sido de qualidade suficiente. É esta a componente que permite calcular de forma realista o comportamento dos sub-Neptunos, explicando assim a manifestação de atmosferas alargadas nas regiões mais quentes.

"É notável como, tal como neste caso, as propriedades físicas a nível molecular influenciam processos astronómicos de grande escala, como a formação de atmosferas planetárias", acrescenta Henning.

"Se alargássemos os nossos resultados a regiões mais frias, onde a água é líquida, isto poderia sugerir a existência de mundos aquáticos com oceanos profundos", diz Mordasini. "Tais planetas poderiam, potencialmente, albergar vida e seriam alvos relativamente simples para a procura de biomarcadores, graças ao seu tamanho."

Mais trabalho pela frente

No entanto, o trabalho atual é apenas um marco importante. Embora a distribuição simulada de tamanhos coincida de perto com a observada, e o "vale" do raio esteja no sítio certo, os pormenores ainda têm algumas inconsistências. Por exemplo, nos cálculos, demasiados planetas gelados acabam por ficar demasiado perto da estrela central. No entanto, os investigadores não veem esta circunstância como uma desvantagem e esperam aprender, desta forma, mais sobre a migração planetária.

Observações com telescópios como o James Webb ou o ELT (Extremely Large Telescope), este último ainda em construção, também podem ajudar. Estes telescópios seriam capazes de determinar a composição dos planetas em função do seu tamanho, permitindo assim testar as simulações aqui descritas.

// Instituto Max Planck de Astronomia (comunicado de imprensa)
// Universidade de Berna (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Astronomy)
// Artigo científico (arXiv.org)

 


Quer saber mais?

Lacuna ou "vale" do raio:
Wikipedia

Exoplanetas:
Wikipedia
Lista de planetas (Wikipedia)
Lista de exoplanetas potencialmente habitáveis (Wikipedia)
Lista de exoplanetas mais próximos (Wikipedia)
Lista de extremos (Wikipedia)
Lista de exoplanetas candidatos a albergar água líquida (Wikipedia)
Open Exoplanet Catalogue
NASA
Exoplanet.eu
Sub-Neptuno (Wikipedia)
Super-Terra (Wikipedia)

 
   
 
 
 
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