Para planetas recém-nascidos, os sistemas solares são naturalmente “à prova de bebés”

CIÊNCIA

Um jovem planeta num sistema à prova de bebé: os novos resultados mostram como um limite dentro do disco em torno de jovem estrela parecida com o Sol actua como uma barreira que impede que os planetas mergulhem na estrela.
Crédito: Departamento Gráfico do Instituto Max Planck para Astronomia

Simulações numéricas de um grupo de astrónomos liderado por Mario Flock do Instituto Max Planck para Astronomia, mostraram que os sistemas planetários jovens são naturalmente “à prova de bebés”: os mecanismos físicos combinam-se para impedir os jovens planetas nas regiões interiores de darem um mergulho fatal para a estrela. Processos similares também permitem que os planetas nasçam perto das estrelas – a partir de detritos presos numa região próxima da estrela. A investigação, publicada na revista Astronomy & Astrophysics, explica descobertas pelo Telescópio Espacial Kepler que mostram um grande número de super-Terras em órbita íntima das suas estrelas, nos limites da região à prova de bebé.

Quando uma criança nasce, os pais certificam-se que a sua casa é à prova de bebé, estabelecendo barreiras de segurança que mantêm a criança longe de áreas particularmente perigosas. Novas investigações sobre a formação planetária mostram que algo muito semelhante ocorre nos jovens sistemas planetários.

Os planetas formam-se em torno de uma jovem estrela, cercada por um disco de gás e poeira. Dentro deste disco proto-planetário, os grãos de poeira unem-se, ficando cada vez maiores. Após alguns milhões de anos, atingem alguns quilómetros em diâmetro. Neste ponto, a gravidade é forte o suficiente para unir estes objectos e assim formar planetas, objectos redondos, sólidos ou com um núcleo sólido, com diâmetros de alguns milhares de quilómetros ou mais.

Uma curiosa multidão no limite interior

Assim como crianças, os objectos sólidos num sistema planetário tão jovem tendem a mover-se em todas as direcções – não apenas em órbita da estrela, mas flutuando para fora e para dentro. Isto pode ser potencialmente fatal para planetas que já se encontrem relativamente próximos da estrela central.

Perto da estrela, encontraremos apenas planetas rochosos, com superfícies sólidas, semelhantes à nossa Terra. Os núcleos planetários só podem capturar e manter quantidades significativas de gás para se transformarem em gigantes gasosos muito mais longe da estrela quente. Mas o tipo mais simples de cálculo para o movimento de um planeta perto da estrela, no gás de um disco proto-planetário, mostra que um planeta deste tipo deverá flutuar continuamente para dentro, mergulhando na estrela numa escala de tempo inferior a um milhão de anos, muito menos do que a vida útil do disco.

Se fosse este o cenário completo, seria surpreendente que o satélite Kepler da NASA, que examinou estrelas parecidas com o Sol (dos tipos espectrais F, G e K), encontrasse algo completamente diferente: inúmeras estrelas têm as chamadas super-Terras em órbita íntima, planetas rochosos mais massivos do que a nossa própria Terra. Particularmente comuns são planetas com períodos de aproximadamente 12 dias, até períodos tão baixos quanto 10 dias. Para o nosso Sol, isso corresponderia a raios orbitais de mais ou menos 0,1 UA, apenas cerca de um-quarto do raio orbital de Mercúrio, o planeta mais próximo do nosso Sol.

Foi este o quebra-cabeças que Mario Flock, líder de grupo do Instituto Max Planck para Astronomia, decidiu resolver juntamente com colegas do JPL, da Universidade de Chicago e da Queen Mary University em Londres. Os investigadores envolvidos são especialistas em simular o ambiente complexo em que os planetas nascem, modelando os fluxos e as interacções de gás, poeira, campos magnéticos e planetas nos seus vários estágios percursores. Diante do aparente paradoxo das super-Terras íntimas vistas pelo Kepler, propuseram-se a simular em detalhe a formação planetária perto de estrelas parecidas com o Sol.

Um Sistema Solar à prova de bebés

Os seus resultados foram inequívocos e sugerem duas possíveis razões por trás da ocorrência comum de planetas em íntima órbita. A primeira é que, pelo menos para planetas rochosos com até 10 vezes a massa da Terra (“super-Terras” ou “mini-Neptunos”), estes sistemas estelares jovens são à prova de bebés.

A barreira de segurança que mantém os planetas jovens fora da zona de perigo funciona da seguinte maneira. Quanto mais perto estivermos da estrela, mais intensa a sua radiação estelar. Dentro do limite chamado frente de sublimação, a temperatura do disco sobe acima dos 1200 K e as partículas de poeira (silicatos) transformam-se em gás. O gás extremamente quente dentro dessa região torna-se muito turbulento. Esta turbulência transporta o gás em direcção à estrela a alta velocidade, adelgaçando no processo a região interna do disco.

À medida que uma jovem super-Terra viaja através do gás, é normalmente acompanhada por gás que também gira com o planeta num percurso orbital semelhante a uma ferradura. À medida que o planeta se move para dentro e atinge a frente de sublimação dos silicatos, as partículas de gás que se deslocam do gás mais fino para o gás mais denso fora dos limites dão um pequeno chuto ao planeta. Nesta situação, o gás exercerá uma influência (em termos físicos: um momento) ao planeta viajante e, crucialmente, devido ao salto na densidade, radialmente para fora. Desta forma, a fronteira serve como uma barreira de segurança, impedindo que os jovens planetas mergulhem na estrela. E a localização do limite para uma estrela tipo-Sol, conforme previsto pela simulação, corresponde ao limite inferior para períodos orbitais descobertos pelo Kepler. Como Mario Flock diz: “porque é que existem tantas super-Terras em órbita próxima, como o Kepler nos mostrou? Porque os jovens sistemas planetários têm uma barreira à prova de bebés integrada!”

Construção planetária na fronteira

Existe uma possibilidade alternativa: ao rastrear o movimento de objectos mais pequenos, com alguns milímetros ou centímetros de tamanho, os cientistas descobriram que estes seixos tendem a acumular-se bem atrás da frente de sublimação dos silicatos. Para que a pressão se equilibre directamente na fronteira, o gás fino na região de transição precisa de girar mais depressa do que o normal (já que deve haver um equilíbrio entre pressão e força centrífuga). Esta rotação do gás é mais rápida do que a velocidade orbital “Kepleriana” de uma partícula isolada em órbita da estrela por conta própria. Um seixo que entra nesta região de transição é forçado para este movimento superior à velocidade Kepleriana e é imediatamente ejectado novamente à medida que as forças centrífugas correspondentes o empurram para fora, como uma pequena criança num carrossel. Isto também contribui para a frequência de super-Terras em órbita próxima. As super-Terras formadas não são as únicas com uma barreira de segurança à prova de bebés. O facto de que objectos muito mais pequenos também têm fornece condições ideais para a formação de super-Terras naquele local!

Os resultados não foram uma surpresa completa para os investigadores. De facto, encontraram uma “armadilha” semelhante em modelos de estrelas muito mais massivas (“estrelas Herbig”), embora a uma distância muito maior. Os novos resultados estendem-se para estrelas parecidas com o Sol e acrescentam o mecanismo à prova de bebés para planetas recém-nascidos. Além disso, o novo artigo científico é o primeiro que fornece uma comparação com os dados estatísticos do telescópio espacial Kepler, tendo em cuidada consideração que o Kepler só poderia ver certos tipos de sistema (principalmente aqueles com o plano orbital visto quase de lado).

E o nosso próprio Sistema Solar?

Curiosamente, por estes critérios, o nosso próprio Sistema Solar também poderia ter abrigado um planeta semelhante à Terra mais perto do Sol do que o actual planeta mais interior, Mercúrio. Será o facto de não existir um planeta desse tipo um acaso estatístico, ou será que esse planeta realmente existiu, mas foi expulso do Sistema Solar? Esta é uma pergunta interessante para investigações adicionais. Mario Flock salienta: “O Sistema Solar não só era à prova de bebés, como é possível que o bebé assim protegido tenha ‘voado do ninho’!”

Astronomia On-line
15 de Outubro de 2019

 

Exoplanetas tipo-Júpiter encontrados no “ponto ideal” da maioria dos sistemas planetários

O GPI procurou exoplanetas em centenas de estrelas próximas usando o Telescópio Gemini Sul localizado nos Andes Chilenos. O astrónomo Marshall Perrin está no plano da frente com as Nuvens de Magalhães – duas galáxias satélites da Via Láctea – descendo em direcção ao horizonte a oeste.
Crédito: Marshall Perrin, STScI

À medida que os planetas se formam no turbilhão de gás e poeira em torno de estrelas jovens, parece haver um ponto ideal onde a maioria dos grandes gigantes gasosos, como Júpiter, se reúnem, centrados na órbita onde Júpiter está hoje no nosso próprio Sistema Solar.

A localização deste ponto ideal está a 3-10 vezes a distância que a Terra fica do nosso Sol (3-10 UA, ou unidades astronómicas). Júpiter está a 5,2 UA do nosso Sol.

Esta é apenas uma das conclusões de uma análise sem precedentes de 300 estrelas estudadas pelo GPI (Gemini Planet Imager), um detector infravermelho sensível montado no Telescópio Gemini Sul de 8 metros no Chile.

O GPI Exoplanet Survey, ou GPIES, é um de dois grandes projectos que procuram exoplanetas directamente, bloqueando a luz estelar e fotografando os próprios planetas, em vez de procurar oscilações na estrela – o método de velocidade radial – ou planetas que passam em frente da estrela – a técnica de trânsito. A câmara GPI é sensível ao calor emitido por planetas recém-formados e anãs castanhas, que são mais massivas do que os planetas gigantes gasosos, mas ainda pequenas demais para despoletar a fusão e assim tornarem-se estrelas.

A análise das primeiras 300, entre mais de 500 estrelas investigadas pelo GPIES, publicada na edição de 12 de Junho da revista The Astronomical Journal, “é um marco,” disse Eugene Chiang, professor de astronomia da Universidade da Califórnia em Berkeley e membro do grupo teórico da colaboração. “Agora temos excelentes estatísticas da frequência com que os planetas ocorrem, a sua distribuição de massa e quão longe estão das suas estrelas. É a análise mais abrangente que já vi neste campo.”

O estudo complementa investigações exoplanetárias anteriores através da contagem de planetas entre 10 e 100 UA, uma gama na qual é improvável que as observações de trânsitos pelo Telescópio Espacial Kepler e observações de velocidade radial detectem planetas. Foi liderado por Eric Nielsen, investigador do Instituto Kavli para Astrofísica de Partículas e Cosmologia da Universidade de Stanford e envolveu mais de 100 investigadores de 40 instituições de todo o mundo.

Um novo planeta, uma nova anã castanha

Desde que o levantamento GPIES começou há cinco anos, que a equipa fotografou seis planetas e três anãs castanhas em órbita destas 300 estrelas. A equipa estima que cerca de 9% das estrelas massivas têm gigantes gasosos entre 5 e 13 massas de Júpiter para lá das 10 UA, e menos de 1% têm anãs castanhas entre 10 e 100 UA.

O novo conjunto de dados fornece informações importantes sobre como e onde os objectos massivos se formam nos sistemas planetários.

“À medida que nos afastamos da estrela central, os planetas gigantes tornam-se mais frequentes. Mais ou menos a 3-10 UA, a taxa de ocorrência aumenta,” disse Chiang. “Sabemos que este pico ocorre porque o Kepler e os levantamentos via velocidade radial observam um aumento nesta taxa, indo de Júpiteres quentes muito próximos da estrela a Júpiteres a algumas unidades astronómicas da estrela. O GPI preencheu a outra extremidade, indo de 10 a 100 UA, e descobrindo que a taxa de ocorrência cai; os planetas gigantes são encontrados mais frequentemente a 10 do que a 100. Se combinarmos tudo, há um ponto ideal para a ocorrência de planetas gigantes a 3-10 UA.”

“Com observatórios futuros, particularmente o TMT (Thirty-Meter Telescope) e missões espaciais ambiciosas, começaremos a fotografar os planetas que residem no local ideal para estrelas parecidas com o Sol,” disse o membro da equipa, Paul Kalas, professor adjunto de astronomia da Universidade da Califórnia em Berkeley.

O levantamento exoplanetário descobriu apenas um planeta anteriormente desconhecido – 51 Eridani b, com quase três vezes a massa de Júpiter – e uma anã castanha anteriormente desconhecida – HR 2562 B, com aproximadamente 26 vezes a massa de Júpiter. Nenhum dos planetas gigantes fotografados estão em redor de estrelas parecidas com o Sol. Ao invés, os planetas gigantes gasosos foram descobertos apenas em torno de estrelas mais massivas, pelo menos 50% maiores do que o nosso Sol, ou 1,5 massas solares.

“Tendo em conta o que nós e outros levantamentos vimos até agora, o nosso Sistema Solar não se parece com outros sistemas solares,” comentou Bruce Macintosh, investigador principal do GPI e professor de física em Stanford. “Não temos tantos planetas acondicionados tão próximos do Sol quanto outras estrelas e agora temos mais evidências de que somos raros devido à existência destes planetas tipo-Júpiter e ainda maiores.”

“O facto de os planetas gigantes serem mais comuns em estrelas mais massivas do que estrelas parecidas com o Sol é um enigma interessante,” disse Chiang.

Dado que muitas estrelas visíveis no céu nocturno são jovens e massivas, chamadas estrelas A, isto significa que “as estrelas que vemos no céu noturno à vista desarmada são mais propensas a ter planetas com massas tipo-Júpiter em seu redor do que as estrelas mais ténues para as quais precisamos de telescópios,” disse Kalas. “Isto é interessante.”

A análise também mostra que planetas gigantes gasosos e anãs castanhas, embora aparentemente num continuum de massa crescente, podem ser duas populações distintas formadas de diferentes maneiras. Os gigantes gasosos até cerca de 13 vezes a massa de Júpiter parecem ter sido formados por acreção de gás e poeira em objectos mais pequenos – de baixo para cima. As anãs castanhas, entre 13 e 80 vezes a massa de Júpiter, formaram-se como estrelas, por colapso gravitacional – de cima para baixo – dentro da mesma nuvem de gás e poeira que deu origem às estrelas.

“Penso que esta é a evidência mais clara de que estes dois grupos de objectos, planetas e anãs castanhas, formam-se de modo diferente,” explicou Chiang.

Fotografia directa é o futuro

O GPI pode fotografar planetas em torno de estrelas distantes graças à extrema óptica adaptativa, que detecta rapidamente a turbulência na atmosfera e reduz a desfocagem ajustando a forma de um espelho flexível. O instrumento detecta o calor de corpos ainda brilhando graças à sua própria energia interna, como exoplanetas grandes, entre 2 e 13 vezes a massa de Júpiter, e jovens, com menos de 100 milhões de anos, em comparação com a idade do nosso Sol de 4,6 mil milhões de anos. Apesar de bloquear a maior parte da luz da estrela central, o brilho ainda limita o GPI a observar apenas planetas e anãs castanhas longe das estrelas que orbitam, entre 10 e 100 UA.

A equipa planeia analisar os dados das estrelas restantes da investigação, na esperança de obter mais informações sobre os tipos e tamanhos mais comuns de planetas e anãs castanhas.

Chiang salientou que o sucesso do GPIES mostra que a observação directa tornar-se-á cada vez mais importante no estudo dos exoplanetas, especialmente para entender a sua formação.

“A observação directa é a melhor maneira de estudar planetas jovens,” acrescentou. “Quando os planetas jovens estão a ser formados, as suas estrelas jovens são demasiado activas, demasiado ‘nervosas’, para que os métodos de velocidade radial ou de trânsito funcionem facilmente. Mas com imagens directas, é ver para crer.”

Astronomia On-line
18 de Junho de 2019

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645: INVESTIGADORES DESCOBREM SISTEMA COM TRÊS PLANETAS DO TAMANHO DA TERRA

Impressão de artista de um sistema planetário com três exoplanetas rochosos do tamanho da Terra.
Crédito: Gabriel Pérez Díaz, SMM (Instituto de Astrofísica das Canárias)

O IAC (Instituto de Astrofísica das Canárias) e a Universidade de Oviedo divulgaram a semana passada a descoberta de dois novos sistemas planetários. Um deles hospeda três planetas com o mesmo tamanho que a Terra.

As informações sobre estes novos exoplanetas foram obtidas a partir dos dados recolhidos pela missão K2 do satélite Kepler da NASA, que teve início em Novembro de 2013. O trabalho, que será publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, revela a existência de dois novos sistemas planetários detectados a partir dos eclipses que produzem na luz estelar das suas respectivas estrelas. Na equipa de investigação liderada por Javier de Cos da Universidade de Oviedo e Rafael Rebolo do IAC, participam, juntamente com investigadores destes dois centros, outros da Universidade de Genebra e do GTC (Gran Telescopio Canarias).

O primeiro sistema exoplanetário está localizado em redor da estrela K2-239, caracterizada pelos cientistas como uma anã vermelha do tipo M3V a partir de observações feitas com o GTC, no Observatório Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma). Está situada na direcção da constelação do Sextante a 50 parsecs (cerca de 160 anos-luz) do Sol. Tem um sistema compacto de pelo menos três planetas rochosos de tamanho semelhante à Terra (1,1, 1,0 e 1,1 raios terrestres) que orbitam a estrela a cada 5,2, 7,8 e 10,1 dias, respectivamente.

A outra estrela anã vermelha chamada K2-240 tem duas super-Terras com aproximadamente o dobro do tamanho do nosso planeta. A temperatura atmosférica das anãs vermelhas, em torno das quais estes planetas orbitam, é de 3450 e 3800 K, respectivamente, quase metade da temperatura do Sol. Os investigadores estimam que todos os planetas descobertos têm temperaturas superficiais dezenas de graus acima da temperatura da Terra devido à forte radiação que recebem nestas órbitas próximas em torno das suas estrelas.

As futuras campanhas de observação com o JWST (James Webb Space Telescope) vão caracterizar a composição das atmosferas dos planetas descobertos. As observações espectroscópicas com o instrumento ESPRESSO, instalado no VLT (Very Large Telescope) do ESO, ou com espectrógrafos futuros no GTC ou em novas instalações astronómicas com o ELT (Extremely Large Telescope) ou o TMT (Thirty Meter Telescope), serão cruciais para determinar as massas, densidades e propriedades físicas destes planetas.

Astronomia On-line
12 de Junho de 2018

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