Um invulgar par planetário orbita uma estrela a cerca de 190 anos-luz da Terra. Um Júpiter quente, normalmente "solitário", partilha o espaço com um mini-Neptuno, numa combinação rara e improvável que tem intrigado os astrónomos desde a descoberta do sistema em 2020.

Agora, cientistas do MIT (Massachusetts Institute of Technology) conseguiram vislumbrar a atmosfera do mini-Neptuno, que orbita dentro da órbita do seu companheiro do tamanho de Júpiter, e descobriram pistas para explicar as origens deste sistema planetário invulgar.

Num estudo publicado na revista The Astrophysical Journal Letters, os cientistas relatam novas medições da atmosfera do mini-Neptuno, realizadas com o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA. É a primeira vez que os astrónomos medem a composição de um mini-Neptuno que reside dentro da órbita de um Júpiter quente.

As suas medições revelam que o planeta mais pequeno tem uma atmosfera "pesada", rica em vapor de água, dióxido de carbono, dióxido de enxofre e traços de metano. Uma atmosfera tão pesada não teria sido adquirida pelo planeta se este se tivesse formado na sua localização atual, muito perto da sua estrela.

Em vez disso, os cientistas afirmam que as descobertas apontam para uma teoria alternativa sobre a sua origem: tanto o mini-Neptuno como o Júpiter quente podem ter-se formado muito mais longe, na região mais fria do disco protoplanetário. Aí, os planetas poderiam ter acumulado lentamente atmosferas de gelo e outros compostos voláteis. Com o tempo, os planetas foram provavelmente atraídos para a estrela num processo gradual que os manteve próximos, com as suas atmosferas intactas.

Os resultados da equipa são os primeiros a mostrar que os mini-Neptunos podem formar-se para além da "linha de gelo" de uma estrela. Esta fronteira refere-se à distância mínima de uma estrela onde a temperatura é suficientemente baixa para que a água se condense instantaneamente em gelo.

"Esta é a primeira vez que observamos a atmosfera de um planeta que se encontra dentro da órbita de um Júpiter quente", afirma Saugata Barat, investigador de pós-doutoramento no Instituto Kavli de Astrofísica e Investigação Espacial do MIT e autor principal do estudo. "Esta medição indica-nos que este mini-Neptuno se formou efetivamente para além da linha de gelo, confirmando que este canal de formação de facto existe".

A equipa é composta por astrónomos de todo o mundo, incluindo Andrew Vanderburg, professor assistente convidado no MIT, e coautores de várias outras instituições, incluindo o Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian, a Universidade do Sul de Queensland, a Universidade do Texas em Austin e a Universidade de Lund.

Um sistema "único"

Tal como o próprio nome indica, os mini-Neptunos são planetas com uma massa inferior à de Neptuno. São considerados anões gasosos, compostos principalmente por gás, com um núcleo interno rochoso. Os mini-Neptunos são os planetas mais comuns na Via Láctea, embora, curiosamente, não exista nenhum mundo deste tipo no nosso próprio Sistema Solar. Os astrónomos observaram muitos planetas a orbitar uma grande variedade de estrelas em diversos sistemas planetários. Os mini-Neptunos, portanto, são geralmente considerados planetas comuns.

Mas em 2020, Chelsea X. Huang, então bolseira de pós-doutoramento no MIT (agora membro do corpo docente da Universidade do Sul de Queensland), descobriu um mini-Neptuno numa circunstância rara e intrigante: o planeta parecia estar a orbitar a sua estrela com um companheiro improvável - um Júpiter quente.

Os astrónomos fizeram a sua descoberta utilizando o TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) da NASA. Analisaram as medições do TESS relativas a TOI-1130, uma estrela localizada a 190 anos-luz da Terra, e detetaram sinais de um mini-Neptuno e de um Júpiter quente, orbitando a estrela a cada quatro e oito dias, respetivamente.

Na parte superior, há muito tempo e ao longo de um período de 10 milhões de anos, um mini-Neptuno (TOI-1130 b) e um Júpiter quente (TOI-1130 c) formaram-se na "linha de gelo" da sua estrela. Os círculos azuis à volta do mini-Neptuno representam seixos ricos em material gelado. Em baixo, representando a idade atual de mais de mil milhões de anos, os planetas aproximaram-se da estrela, para longe da linha de gelo. Os seixos gelados evaporaram moléculas como água e dióxido de carbono na atmosfera de TOI-1130 b. Crédito: Kamalika Chakraborty

"Este era um sistema único", afirma Huang. "Os Júpiteres quentes são 'solitários', o que significa que não têm planetas companheiros dentro das suas órbitas. São tão massivos e a sua gravidade é tão forte que tudo o que se encontra dentro da sua órbita acaba por ser disperso. Mas, de alguma forma, neste Júpiter quente, um companheiro interior sobreviveu. E isso levanta questões sobre como é que um sistema deste tipo se poderia ter formado".

Um instantâneo certeiro

A descoberta, em 2020, de TOI-1130 e do seu estranho par planetário inspirou Huang, Vanderburg e os seus colegas a observar mais de perto os planetas e, especificamente, as suas atmosferas, com o JWST. No novo estudo, a equipa apresenta a sua análise de TOI-1130 b - o mini-Neptuno em órbita interior.

Captar o planeta no momento certo foi o seu primeiro desafio. A maioria dos planetas orbita a sua estrela com um período regular e previsível, como o tiquetaque de um relógio. Mas descobriu-se que o mini-Neptuno e o Júpiter quente se encontravam em "ressonância de movimento médio", o que significa que cada um pode afetar o movimento do outro, puxando e empurrando, variando ligeiramente o tempo que cada um demora a orbitar a sua estrela. Isto tornou difícil prever quando o JWST poderia obter uma visão nítida.

A equipa, liderada por Judith Korth, da Universidade de Lund, reuniu o maior número possível de observações anteriores do sistema e desenvolveu um modelo para prever quando cada planeta passaria pela estrela num ângulo que o JWST pudesse observar.

"Foi uma previsão desafiante e tivemos de ser precisos", afirma Barat.

No final, a equipa conseguiu captar uma imagem direta e detalhada de ambos os planetas.

"A beleza do JWST reside no facto de não observar apenas numa cor, mas em diferentes cores, ou comprimentos de onda", explica Barat. "E os comprimentos de onda específicos que um planeta absorve podem revelar muito sobre a composição da sua atmosfera".

A partir das medições do JWST, a equipa descobriu que o planeta absorvia comprimentos de onda específicos da água, do dióxido de carbono, do dióxido de enxofre e, em menor grau, do metano. Estas moléculas são mais pesadas do que o hidrogénio e o hélio, que constituem atmosferas mais leves. Os astrónomos tinham assumido que, se os mini-Neptunos se formassem muito perto da sua estrela, deveriam ter atmosferas leves.

Mas os novos resultados da equipa contrariam essa suposição e apresentam uma nova forma como os mini-Neptunos se poderiam ter formado. Uma vez que foram encontradas moléculas mais pesadas na atmosfera de TOI-1130 b, que orbita muito próximo da sua estrela, os cientistas afirmam que a única explicação possível para a sua composição é que o planeta se formou muito mais longe do que a sua localização atual.

O planeta provavelmente acumulou a sua atmosfera densa de água e outros compostos voláteis, como dióxido de carbono e dióxido de enxofre, na região gelada para além da linha de gelo da estrela. Neste ambiente muito mais frio, a água condensa-se nas partículas de poeira para formar pedrinhas geladas, que um planeta em formação pode atrair para a sua atmosfera. A água evapora-se à medida que migra lentamente para mais perto da sua estrela.

Barat afirma que a deteção de moléculas pesadas na atmosfera de TOI-1130 b pela equipa confirma que o planeta - e provavelmente o seu companheiro Júpiter quente - se formou na periferia do sistema. Através de uma migração gradual, os dois planetas teriam sido capazes de permanecer próximos um do outro e manter as suas atmosferas intactas.

"Este sistema representa uma das arquiteturas mais raras que os astrónomos já encontraram", afirma Barat. "As observações de TOI-1130 b fornecem a primeira indicação de que tais mini-Neptunos, que se formam para além da linha de água/gelo, estão de facto presentes na natureza".

// MIT (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)

Quer saber mais?

Sistema TOI-1130:
ipac
TOI-1130 b (NASA)
TOI-1130 b (Exoplanet.eu)
TOI-1130 c (NASA)
TOI-1130 c (Exoplanet.eu)

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)
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