Crédito: Observatório W. M. Keck/Adam Makarenko
A descoberta representa as primeiras detecções de perda atmosférica em “mini-Netunos”
Os astrônomos identificaram dois casos diferentes de planetas “mini-Netuno” que estão perdendo suas atmosferas inchadas e provavelmente se transformando em super-Terras. A radiação das estrelas dos planetas está retirando suas atmosferas, fazendo com que o gás quente escape como vapor de uma panela de água fervente.
As descobertas, publicadas em dois artigos separados no The Astronomical Journal, ajudam a pintar uma imagem de como mundos exóticos como esses se formam e evoluem.
Mini-Netunos são uma classe de exoplanetas, que são planetas que orbitam estrelas fora do nosso sistema solar. Esses mundos, que são versões menores e mais densas do planeta Netuno, consistem em grandes núcleos rochosos cercados por espessas mantas de gás. Nos novos estudos, uma equipe de astrônomos liderada pelo Caltech usou o Observatório W. M. Keck no topo de Maunakea, no Havaí, para estudar um dos dois planetas mini-Netuno no sistema estelar chamado TOI 560, localizado a 103 anos-luz de distância; e eles usaram o Telescópio Espacial Hubble da NASA para observar dois mini-Netunos orbitando HD 63433, localizados a 73 anos-luz de distância.
Seus resultados mostram que o gás atmosférico está escapando do mini-Netuno mais interno em TOI 560, chamado TOI 560.01, e do mini-Netuno mais externo em HD 63433, chamado HD 63433 c. Isso sugere que eles podem estar se transformando em super-Terras.
“A maioria dos astrônomos suspeitava que os jovens e pequenos mini-Netunos deveriam ter atmosferas em evaporação”, diz Michael Zhang, principal autor de ambos os estudos e estudante de pós-graduação da Caltech. “Mas ninguém nunca pegou um no processo de fazê-lo até agora.”
O estudo também descobriu, surpreendentemente, que o gás em torno do TOI 560.01 estava escapando predominantemente em direção à estrela.
“Isso foi inesperado, pois a maioria dos modelos prevê que o gás deve fluir para longe da estrela”, diz a professora de ciências planetárias Heather Knutson, conselheira de Zhang e coautora do estudo. “Ainda temos muito a aprender sobre como essas saídas funcionam na prática.”
As descobertas, publicadas em dois artigos separados no The Astronomical Journal, ajudam a pintar uma imagem de como mundos exóticos como esses se formam e evoluem.
Mini-Netunos são uma classe de exoplanetas, que são planetas que orbitam estrelas fora do nosso sistema solar. Esses mundos, que são versões menores e mais densas do planeta Netuno, consistem em grandes núcleos rochosos cercados por espessas mantas de gás. Nos novos estudos, uma equipe de astrônomos liderada pelo Caltech usou o Observatório W. M. Keck no topo de Maunakea, no Havaí, para estudar um dos dois planetas mini-Netuno no sistema estelar chamado TOI 560, localizado a 103 anos-luz de distância; e eles usaram o Telescópio Espacial Hubble da NASA para observar dois mini-Netunos orbitando HD 63433, localizados a 73 anos-luz de distância.
Seus resultados mostram que o gás atmosférico está escapando do mini-Netuno mais interno em TOI 560, chamado TOI 560.01, e do mini-Netuno mais externo em HD 63433, chamado HD 63433 c. Isso sugere que eles podem estar se transformando em super-Terras.
“A maioria dos astrônomos suspeitava que os jovens e pequenos mini-Netunos deveriam ter atmosferas em evaporação”, diz Michael Zhang, principal autor de ambos os estudos e estudante de pós-graduação da Caltech. “Mas ninguém nunca pegou um no processo de fazê-lo até agora.”
O estudo também descobriu, surpreendentemente, que o gás em torno do TOI 560.01 estava escapando predominantemente em direção à estrela.
“Isso foi inesperado, pois a maioria dos modelos prevê que o gás deve fluir para longe da estrela”, diz a professora de ciências planetárias Heather Knutson, conselheira de Zhang e coautora do estudo. “Ainda temos muito a aprender sobre como essas saídas funcionam na prática.”
Explicação da lacuna planetária
Desde que os primeiros exoplanetas orbitando estrelas semelhantes ao Sol foram descobertos em meados da década de 1990, milhares de outros foram encontrados. Muitos deles orbitam perto de suas estrelas, e os menores e rochosos geralmente se dividem em dois grupos: mini-Netunos e super-Terras. Planetas desses tipos não são encontrados em nosso sistema solar. As super-Terras são tão grandes quanto 1,6 vezes o tamanho da Terra (e ocasionalmente tão grandes quanto 1,75 vezes o tamanho da Terra), enquanto os mini-Netunos têm entre duas e quatro vezes o tamanho da Terra. Poucos planetas com tamanhos entre esses dois tipos de planetas foram detectados.
Uma possível explicação para essa lacuna é que os mini-Netunos estão se transformando em super-Terras. Os mini-Netunos são teorizados para serem encasulados por atmosferas primordiais feitas de hidrogênio e hélio. O hidrogênio e o hélio são remanescentes da formação da estrela central, que nasce de nuvens de gás. Se um mini-Netuno é pequeno o suficiente e próximo o suficiente de sua estrela, os raios X estelares e a radiação ultravioleta podem remover sua atmosfera primordial por um período de centenas de milhões de anos, teorizam os cientistas. Isso deixaria para trás uma super-Terra rochosa com um raio substancialmente menor, que poderia, em teoria, ainda reter uma atmosfera relativamente fina semelhante à que circunda nosso próprio planeta.
“Um planeta na lacuna teria atmosfera suficiente para aumentar seu raio, fazendo com que interceptasse mais radiação estelar e, assim, permitindo uma rápida perda de massa”, diz Zhang. “Mas a atmosfera é fina o suficiente para se perder rapidamente. É por isso que um planeta não ficaria na lacuna por muito tempo.”
Outros cenários podem explicar a lacuna, de acordo com os astrônomos. Por exemplo, os planetas rochosos menores podem nunca ter reunido envelopes de gás em primeiro lugar, e mini-Netunos podem ser mundos aquáticos e não envoltos em gás hidrogênio. Esta última descoberta de dois mini-Netunos com atmosferas em fuga representa a primeira evidência direta para apoiar a teoria de que os mini-Netunos estão de fato se transformando em super-Terras.
Assinaturas à luz do sol
Os astrônomos foram capazes de detectar as atmosferas que escapavam observando os mini-Netunos cruzarem na frente ou transitarem por suas estrelas hospedeiras. Os planetas não podem ser vistos diretamente, mas quando eles passam na frente de suas estrelas, vistos do nosso ponto de vista na Terra, os telescópios podem procurar a absorção da luz das estrelas pelos átomos nas atmosferas dos planetas. No caso do mini Neptune TOI 560.01, os pesquisadores encontraram assinaturas de hélio. Para o sistema estelar HD 63433, a equipe encontrou assinaturas de hidrogênio no planeta mais externo que estudaram, chamado HD 63433 c, mas não no planeta interno, HD 63433 b.
“O planeta interior pode já ter perdido sua atmosfera”, explica Zhang.
A velocidade dos gases forneceu a evidência de que as atmosferas estão escapando. O hélio observado em torno de TOI 560.01 está se movendo tão rápido quanto 20 quilômetros por segundo, enquanto o hidrogênio em torno de HD 63433 c está se movendo tão rápido quanto 50 quilômetros por segundo. A gravidade desses mini-Netunos não é forte o suficiente para segurar um gás tão rápido. A extensão dos fluxos ao redor dos planetas também apontou para atmosferas escapando: o casulo de gás em torno do TOI 560.01 é pelo menos 3,5 vezes maior que o raio do planeta e o casulo ao redor. HD 63433 c é pelo menos 12 vezes o raio do planeta.
As observações também revelaram que o gás perdido do TOI 560.01 estava fluindo em direção à estrela. Observações futuras de outros mini-Netunos devem revelar se o TOI 560.01 é uma anomalia ou se um fluxo atmosférico em movimento para dentro é mais comum.
“Como cientistas de exoplanetas, aprendemos a esperar o inesperado”, diz Knutson. “Esses mundos exóticos estão constantemente nos surpreendendo com novas físicas que vão além do que observamos em nosso sistema solar.”
O estudo do Astronomical Journal intitulado “Escape Helium from TOI 560.01, a Young Mini Neptune” foi financiado pela NASA. Outros autores incluem Lile Wang, do Flatiron Institute, Fei Dai, da Caltech, e Oscar Barragán, da Universidade de Oxford.
O estudo do Astronomical Journal intitulado “Detection of Ongoing Mass Loss from HD 63433c, a Young Mini Neptune” foi financiado pela NASA, Conselho Europeu de Pesquisa, Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia (Reino Unido), Centro Nacional de Estudos Espaciais (Agência Espacial Francesa), National Science Foundation, Tennessee State University e o Programa de Centros de Excelência do Tennessee. Outros autores deste artigo incluem Wang e Dai do primeiro artigo, Leonardo dos Santos do Space Telescope Science Institute e da Universidade de Genebra; Luca Fossati da Academia Austríaca de Ciências; Gregory Henry da Universidade Estadual do Tennessee; David Ehrenreich da Universidade de Genebra; Yann Alibert da Universidade de Berna; Sergio Hoyer da Universidade de Aix-Marseille; Thomas Wilson da Universidade de St. Andrews; e Andrea Bonfanti do Space Research Institute e da Academia Austríaca de Ciências.
Publicado em 07/02/2022 11h10
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