Um grupo internacional de astrônomos, liderado por Martin Schlecker do Instituto Max Planck de Astronomia, descobriu que o arranjo de planetas rochosos, gasosos e gelados em sistemas planetários aparentemente não é aleatório e depende apenas de algumas condições iniciais.
O estudo, que aparecerá na revista científica Astronomy & Astrophysics, é baseado em uma nova simulação que acompanha a evolução dos sistemas planetários ao longo de vários bilhões de anos. Os sistemas planetários em torno de estrelas semelhantes ao Sol, que produzem em suas regiões internas super-Terras com baixo teor de água e gás, muitas vezes formam um planeta comparável ao nosso Júpiter em uma órbita externa. Esses 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 sua gravidade frequentemente desvia asteróides e cometas potencialmente perigosos em suas órbitas para a zona de planetas rochosos de uma 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 de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, da Universidade de Berna e da Universidade do Arizona agora encontraram fortes evidências de que planetas rochosos semelhantes à Terra ocorrem visivelmente com frequência junto com um planeta semelhante a Júpiter que está em uma órbita ampla .
“Chamamos esses gigantes gasosos de Júpiteres frios. Eles crescem a uma distância da estrela central, onde a água existe na forma de gelo”, explica Martin Schlecker, um estudante de doutorado no Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, que conduziu o estudo. Os planetas semelhantes à Terra estudados são os chamados superterras secas, ou seja, planetas rochosos maiores e mais massivos do que a Terra, que têm apenas uma fina atmosfera e quase nenhuma água ou gelo. Eles povoam a zona interna, ou seja, a zona temperada dos sistemas planetários e são muito semelhantes à Terra, exceto pelo seu tamanho. “Além disso, a Terra é, apesar dos enormes oceanos e das regiões polares, com uma fração de volume de água de apenas 0,12% no total, um planeta seco”, destaca Schlecker.
Encontrar um Júpiter frio junto com uma super-Terra rica em gelo na região interna é, portanto, quase impossível. Além disso, envoltórios de gás extensos e densos são encontrados principalmente em super-Terras massivas.
Simulações fornecem insights sobre processos que são difíceis de medir
Essas conclusões são baseadas em uma avaliação estatística de novas simulações de 1000 sistemas planetários que estão evoluindo em um disco protoplanetário ao redor de uma estrela parecida com o sol. Essas simulações são a mais recente conquista de uma colaboração de longa data entre a Universidade de Berna e a MPIA para estudar as origens dos planetas de uma perspectiva teórica. Partindo de condições iniciais aleatórias, por exemplo, para 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 desses sistemas ao longo de vários bilhões de anos. “Durante as simulações, os embriões planetários coletaram material, cresceram em planetas, mudaram suas órbitas, colidiram ou foram ejetados do sistema”, Christoph Mordasini, da Universidade de Berna e coautor do artigo de pesquisa, descreve os processos simulados. Os sistemas planetários simulados eventualmente tinham planetas de diferentes tamanhos, massas e composições em diferentes órbitas ao redor da estrela central.
Hubert Klahr, chefe do grupo de trabalho sobre a teoria da formação de planetas na MPIA, explica: “Tais simulações apóiam a investigação de sistemas exoplanetários, uma vez que planetas como o frio Júpiter requerem muito tempo para orbitar sua estrela-mãe em suas órbitas largas.” Isso torna difícil encontrá-los por meio da observação, de modo que a busca por exoplanetas não reflete de forma realista a composição real dos sistemas planetários. É mais provável que os astrônomos encontrem planetas de grande massa em órbitas próximas ao redor de estrelas de baixa massa. “As simulações, por outro lado, são, em princípio, independentes dessas limitações”, acrescenta Klahr.
Observações e simulações não correspondem
“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”, disse Schlecker. Por outro lado, cerca de 30% de todos os sistemas planetários nos quais as superterras são formadas também parecem ter um Júpiter frio. Seria plausível esperar que planetas massivos tenham maior probabilidade de interromper os sistemas planetários durante sua formação de tal forma que a formação de outros planetas seja prejudicada. No entanto, esses Júpiteres frios parecem estar suficientemente distantes do interior, de modo que sua influência no desenvolvimento parece ser bastante pequena.
No entanto, a avaliação dos sistemas planetários simulados não pode confirmar esta tendência. Apenas um terço de todos os Júpiteres frios estava acompanhado por pelo menos uma super-Terra. Além disso, os astrônomos encontraram um Júpiter frio em apenas 10% de todos os sistemas planetários sintéticos com superterras. Assim, as simulações mostram que as super-Terras e os Júpiteres frios têm apenas um pouco mais de probabilidade de ocorrerem juntos em um sistema planetário do que se aparecessem sozinhos. Os cientistas atribuem esse resultado a vários motivos.
Uma explicação tem a ver com a taxa na qual os planetas gasosos gradualmente migram para dentro. A teoria de formação de planetas parece prever taxas mais altas do que as observadas, levando a um maior acúmulo de gigantes gasosos em órbitas de distância intermediária. Nas simulações, esses “Júpiteres quentes” interferem nas órbitas internas e fazem com que mais super-Terras sejam ejetadas ou mesmo colidam em colisões gigantescas. Com uma tendência um pouco menor dos planetas gasosos simulados de migrar, mais super-Terras permaneceriam, o que seria mais compatível com as observações.
Simulações preveem descobertas futuras
Agora, as observações apenas distinguem aproximadamente entre os diferentes tipos de super-Terras, porque sua caracterização exata exigiria medições precisas que dificilmente são possíveis com os instrumentos de hoje. Nas simulações do grupo Bern-Heidelberg, no entanto, isso é obtido traçando a trajetória de um planeta dentro do disco protoplanetário e seus encontros com outros planetas. “Encontramos um excesso significativo de sistemas planetários contendo um Júpiter frio e pelo menos uma super-Terra seca, ou seja, com pouca água ou gelo e uma atmosfera fina no máximo”, observa Schlecker. Uma comparação com dados observacionais é difícil, porque dos cerca de 3.200 sistemas planetários conhecidos até o momento, apenas 24 foram comprovados como comparáveis a tal constelação. No entanto, os resultados disponíveis estão de acordo. Por outro lado, dificilmente existem sistemas planetários em que super-Terras com uma alta proporção de gelo e um Júpiter frio existam simultaneamente.
Com base nessas descobertas, os astrônomos deste estudo desenvolveram um cenário que poderia explicar a formação desses tipos bastante diferentes de sistemas planetários. Como mostram as simulações, a constelação final é determinada principalmente pela massa do disco protoplanetário, ou seja, a quantidade de material disponível para o acréscimo de planetas.
Em discos com massa média, não há material suficiente na região interna quente para produzir superterras. Ao mesmo tempo, a quantidade também é muito pequena nas partes externas além da linha da neve, onde a água está presente na forma congelada e a proporção de pedaços de gelo é bastante grande, para formar planetas massivos como Júpiter. Em vez disso, o material ali se condensa em super-Terras com uma alta proporção de gelo com um envelope de gás possivelmente estendido. Essas super-Terras migram gradualmente para o interior. Em contraste, há material suficiente em discos massivos para formar planetas rochosos semelhantes à Terra a distâncias moderadas da estrela central e planetas gigantes frios além da linha da neve. Esses planetas rochosos são pobres em gelo e gás. Fora da órbita do frio Júpiter, podem se formar super-Terras ricas em gelo, mas sua migração na direção radial é limitada pela influência do planeta gigante. Portanto, eles não podem entrar na zona interna quente.
A verificação da previsão só é possível dentro de alguns anos
No entanto, só será possível verificar esse conceito com poderosos telescópios como o Extremely Large Telescope (ELT) do European Southern Observatory ou o James Webb Space Telescope (JWST). Espera-se que ambos estejam operacionais nesta década. “As previsões teóricas devem ser capazes de falhar em face da experiência empírica”, exige Schlecker. “Com os instrumentos de próxima geração que estão para ser implantados, seremos capazes de testar se nosso modelo vai se sustentar ou se temos que voltar às pranchetas.”
Em princípio, esse resultado também poderia se aplicar a esses planetas rochosos secos, que têm aproximadamente 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 detectar com segurança esses gêmeos da Terra em grande número por meio de observações. Por esta razão, os astrônomos atualmente ainda devem se limitar a estudar as maciças contrapartes da Terra. Somente com o ELT e o JWST podemos esperar progressos nessa direção.
Publicado em 20/10/2020 17h46
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