1370: Estudo produz novos modelos climáticos para os sete mundos de Trappist -1

TRAPPIST-1 é uma estrela anã ultra-fria na direcção da constelação de Aquário e os seus sete planetas orbitam muito perto dela.
Crédito: NASA/JPL-Caltech

Nem todas as estrelas são como o Sol, por isso nem todos os sistemas planetários podem ser estudados com as mesmas expectativas. Uma nova investigação por uma equipa liderada por astrónomos da Universidade de Washington forneceu modelos climáticos actualizados para os sete planetas em redor da estrela TRAPPIST-1.

O trabalho também poderá ajudar os astrónomos a estudar planetas mais eficazmente em redor de estrelas nada parecidas com o Sol, e a melhor utilizar os recursos limitados e dispendiosos do Telescópio Espacial James Webb, que deverá ser lançado em 2021.

“Estamos a modelar atmosferas desconhecidas, não apenas assumindo que as coisas que vemos no Sistema Solar vão ser iguais em torno de outra estrela,” comenta Andrew Lincowski, estudante de doutoramento da Universidade de Washington e autor principal do artigo publicado no dia 1 de Novembro na revista The Astrophysical Journal. “Nós realizámos esta investigação para mostrar o aspecto destes diferentes tipos de atmosferas.”

Resumidamente, a equipa descobriu que, devido a uma fase estelar inicial extremamente brilhante e quente, todos os sete mundos da estrela podem ter evoluído como Vénus, com qualquer oceano primitivo a evaporar e a deixar para trás atmosferas densas e inabitáveis. No entanto, um planeta, TRAPPIST-1 e, poderá ser um mundo oceânico parecido com a Terra, que merece um estudo mais aprofundado, como já tinha sido indicado por investigações anteriores.

TRAPPIST-1, a 39 anos-luz de distância, é tão pequena quanto uma estrela pode ser e ainda ser uma estrela. Uma relativamente fria estrela “anã M” – o tipo mais comum no Universo – tem cerca de 9% da massa do Sol e aproximadamente 12% do seu raio. TRAPPIST-1 tem um raio apenas um pouco maior que o planeta Júpiter, embora tenha uma massa muito superior.

Todos os sete planetas de TRAPPIST-1 têm mais ou menos o tamanho da Terra e pensa-se que três deles – os planetas e, f e g – estejam na zona habitável, uma faixa do espaço em torno de uma estrela onde um planeta rochoso poderá ter água líquida à sua superfície, dando uma chance à vida. TRAPPIST-1 d percorre a orla interna da zona habitável, enquanto TRAPPIST-1 h, mais distante, orbita logo após a fronteira externa dessa zona.

“Esta é uma sequência inteira de planetas que nos podem fornecer informações sobre a evolução dos planetas, em particular em torno de uma estrela que é muito diferente da nossa, que emite radiação distinta,” comenta Lincowski. “É apenas uma mina de ouro.”

Trabalhos anteriores já haviam modelado os mundos de TRAPPIST-1, acrescenta Linkowski, mas ele a sua equipa de investigação “tentaram fazer a modelagem física mais rigorosa em termos de radiação e química – tentando fazer com que a física e a química fossem o mais correto possível.”

O modelo químico e o modelo de radiação da equipa criam assinaturas espectrais, ou de comprimento de onda, para cada gás atmosférico possível, permitindo aos observadores melhor prever onde procurar tais gases em atmosferas exoplanetárias. Lincowski disse que quando forem detestados vestígios de gases pelo Telescópio Webb, ou outros, algum dia, “os astrónomos vão usar os impactos observados nos espectros para inferir quais os gases presentes – e compará-los com trabalhos como o nosso para dizer mais sobre a composição, ambiente e talvez sobre a história evolutiva do planeta.”

Ele afirmou que as pessoas estão habituadas a pensar sobre a habitabilidade de um planeta em torno de estrelas parecidas com o Sol. “Mas as anãs M são muito diferentes, de modo que temos que pensar nos efeitos químicos na(s) atmosfera(s) e como essa química afecta o clima.”

Através da combinação de modelos climáticos terrestres com modelos fotoquímicos, os cientistas simularam estados ambientais para cada um dos mundos de TRAPPIST-1.

A sua modelagem indica que:

  • TRAPPIST-1 b, o mais próximo da estrela, é um mundo ardente demasiado quente até para a formação de nuvens de ácido sulfúrico, como em Vénus;
  • Os planetas c e d recebem um pouco mais de energia da sua estrela do que Vénus e a Terra recebem do Sol e podem ser semelhantes a Vénus, com uma atmosfera densa e inabitável;
  • TRAPPIST-1 e é o mais provável dos sete para hospedar água líquida numa superfície temperada, e seria uma excelente escolha para estudos adicionais tendo a habitabilidade em mente;
  • Os planetas exteriores f, g e h podem ser parecidos com Vénus ou podem ser gelados, dependendo da quantidade de água formada no planeta durante a sua evolução;
  • Lincoski disse que, na verdade, qualquer um ou todos os planetas de TRAPPIST-1 podem ser parecidos com Vénus, com qualquer água ou oceanos “queimados” há muito tempo atrás. Ele explicou que quando a água evapora a partir da superfície de um planeta, a luz ultravioleta da estrela quebra as moléculas de água, libertando hidrogénio, que é o elemento mais leve e este pode escapar à gravidade de um planeta. Isto poderá deixar para trás muito oxigénio, que poderá permanecer na atmosfera e irreversivelmente remover água do planeta. Um tal planeta poderá ter uma espessa atmosfera de oxigénio – mas não gerada pela vida, diferente de qualquer uma já observada.

“Isto pode ser possível se estes planetas tivessem, inicialmente, mais água do que a Terra, Vénus ou Marte,” realça. “Se o planeta TRAPPIST-1 e não perdeu toda a sua água durante esta fase, poderá hoje ser um mundo de água, completamente coberto por um oceano global. Neste caso, poderá ter um clima semelhante ao da Terra.”

Lincowski disse que esta investigação foi feita mais com um olho na evolução climática do que para julgar a habitabilidade de um planeta. Ele planeia futuras pesquisas focadas mais directamente na modelagem de planetas de água e nas suas hipóteses de vida.

“Antes de conhecermos este sistema planetário, as estimativas para a detectabilidade atmosférica para planetas do tamanho da Terra pareciam muito mais difíceis,” afirma o co-autor Jacob Lustig-Yaeger, estudante de doutoramento da Universidade de Washington.

A estrela, sendo tão pequena, tornará as assinaturas de gases (como dióxido de carbono) nas atmosferas dos planetas mais pronunciadas nos dados telescópicos.

“O nosso trabalho informa a comunidade científica do que podemos esperar ver dos planetas TRAPPIST-1 com o Telescópio Espacial James Webb.”

A outra coautora de Lincowski é Victoria Meadows, professora de astronomia e directora do Programa de Astrobiologia da Universidade de Washington. Meadows é também a investigadora principal do Laboratório Virtual Planetário do Instituto de Astrobiologia da NASA, com base na mesma instituição de ensino. Todos os autores são afiliados desse laboratório de investigação.

“Os processos que moldam a evolução de um planeta terrestre são críticos para a habitabilidade (ou não habitabilidade), bem como para a nossa capacidade de interpretar possíveis sinais de vida,” comenta Meadows. “Este artigo sugere que em breve poderemos procurar sinais potencialmente detectáveis destes processos em mundos alienígenas.”

TRAPPIST-1, na constelação de Aquário, tem o nome da instalação terrestre que, em 2015, encontrou evidências de planetas em seu redor (Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope).

Astronomia On-line
30 de Novembro de 2018

 

403: Planetas de TRAPPIST-1 fornecem indícios da natureza dos mundos habitáveis

NASA / JPL-Caltech / R. Hurt

TRAPPIST-1 é uma estrela anã vermelha ultra-fria ligeiramente maior, mais muito mais massiva, do que o planeta Júpiter, localizada a cerca de 40 anos-luz do Sol na direcção da constelação de Aquário.

Entre os sistemas planetários conhecidos, TRAPPIST-1 é de particular interesse porque foram detectados em torno da estrela sete planetas, o maior número de planetas detectados em qualquer sistema exoplanetário.

Além disso, todos os planetas TRAPPIST-1 são rochosos e de tamanho terrestre, tornando-os um foco ideal para o estudo da formação planetária e da sua potencial habitabilidade.

Os cientistas da Universidade Estatal do Arizona, Cayman Unterborn, Steven Desch e Alejandro Lorenzo (Escola de Exploração Espacial e da Terra), com Natalie Hinkel da Universidade Vanderbilt, têm vindo a estudar estes planetas no que toca à sua habitabilidade, especificamente em relação à água na sua composição. Os seus achados foram recentemente publicados na revista Nature Astronomy.

Os cálculos equivalem a água

Os planetas de TRAPPIST-1 são curiosamente leves. Com base na sua massa e volume medidos, todos os planetas deste sistema são menos densos do que a rocha. Em muitos outros mundos de semelhante baixa densidade, pensa-se que este componente menos denso constitua gases atmosféricos.

“Mas os planetas de TRAPPIST-1 são demasiado pequenos em massa para agarrar gás suficiente para compensar o déficit de densidade”, explicou o geo-cientista Unterborn. “Mesmo que pudessem segurar o gás, a quantidade necessária para compensar o déficit de densidade tornaria o planeta muito mais inchado do que é”.

Os cientistas que estudam este sistema planetário determinaram que o componente de baixa densidade deve ser outra substância abundante: água. Isto já tinha sido previsto antes, e possivelmente até observado em planetas maiores como GJ1214b, de modo que a equipa interdisciplinar, composta por geocientistas e astrofísicos, resolveu determinar a quantidade de água que poderá estar presente nestes planetas de tamanho idêntico ao da Terra e determinar onde podem ter sido formados.

Mas qual a quantidade de água aí presente?

Para determinar a composição dos planetas de TRAPPIST-1, a equipa usou um pacote exclusivo de software, desenvolvido por Unterborn e Lorenzo, que usa calculadoras de física mineral de última geração.

O software, chamado ExoPlex, permitiu que a equipa combinasse todas as informações disponíveis sobre o sistema TRAPPIST-1, incluindo a composição química da estrela, em vez de se limitar apenas à massa e ao raio dos planetas individuais.

Grande parte dos dados usados pela equipa para determinar a composição foi recolhida a partir de um conjunto de dados chamado Catálogo Hypatia, desenvolvido pela co-autora Hinkel. Este catálogo combina dados sobre a abundância estelar de estrelas próximas do Sol, de mais de 150 fontes de literatura, num enorme repositório.

O que encontraram através das suas análises foi que os planetas internos relativamente “secos” (“b” e “c”) eram consistentes com menos de 15% de água em massa (em comparação, 0,02% da massa da Terra é água).

Os planetas externos (“f” e “g”) eram consistentes com mais de 50% de água em massa. Isto equivale à água de centenas de oceanos terrestres. As massas dos planetas TRAPPIST-1 continuam a ser refinadas, de modo que estas proporções devem ser, por enquanto, consideradas estimativas, mas as tendências gerais parecem claras.

“O que estamos a ver pela primeira vez são planetas de tamanho terrestre que têm muita água ou muito gelo“, afirma Steven Desch, astrofísico da Universidade Estatal do Arizona e autor contribuidor.

Mas os cientistas também descobriram que os planetas de TRAPPIST-1 ricos em gelo estão muito mais próximos da sua estrela do que a linha de gelo.

A “linha de gelo” em qualquer sistema solar, incluindo o de TRAPPIST-1, é a distância à estrela para lá da qual a água existe sob a forma de gelo e pode ser acretada num planeta; no interior da linha de gelo a água existe como vapor e não é acretada. Através das suas análises, a equipa determinou que os planetas de TRAPPIST-1 devem ter-se formado muito mais longe da sua estrela, para lá da linha de gelo, e migrado para as suas órbitas actuais perto da estrela hospedeira.

Existem muitas pistas de que os planetas neste sistema e noutros sofreram uma migração interna substancial, mas este estudo é o primeiro a usar a composição para reforçar o caso da migração. Além disso, saber quais os planetas que se formaram dentro e fora da linha de gelo permitiu que a equipa quantificasse, pela primeira vez, esta migração ocorrida.

Dado que estrelas como TRAPPIST-1 são mais brilhantes logo após se formarem e gradualmente ficam mais fracas, a linha de gelo tende a mover-se para dentro ao longo do tempo, como a fronteira entre solo e chão coberto de neve em redor de uma fogueira moribunda numa noite fria. As distâncias exactas que os planetas migraram depende de quando se formaram.

“Quanto mais cedo os planetas se formaram”, comenta Desch, “mais longe da estrela teriam nascido para ter tanto gelo”. Mas, para as suposições sobre quanto tempo os planetas demoraram para se formar serem razoáveis, os planetas de TRAPPIST-1 devem ter migrado para o interior o equivalente a pelo menos o dobro da distância onde estão agora.

Uma coisa demasiado boa

Curiosamente, embora se pense que a água seja crucial para a vida, os planetas de TRAPPIST-1 podem ter demasiada água para a suportar.

“Geralmente pensamos que a água líquida é uma forma de dar início à vida, já que assim foi na Terra, pois é composta principalmente de água à superfície e é um requisito fundamental”, explicou Hinkel. “No entanto, um planeta oceânico, um que não tem qualquer superfície acima da água, não tem os ciclos geoquímicos elementares e importantes absolutamente necessários para a vida”.

Em última análise, isto significa que enquanto as estrelas anãs M, como TRAPPIST-1, são as estrelas mais comuns no Universo (e embora seja provável a existência de planetas em órbita destas estrelas), a enorme quantidade de água provavelmente tornou-os desfavoráveis à vida, especialmente vida suficiente para criar um sinal detectável na atmosfera que possa ser observado. “É um cenário clássico de ‘uma coisa demasiado boa’”, comentou Hinkel.

Assim sendo, embora possamos não encontrar evidências de vida nos planetas TRAPPIST-1, através desta investigação podemos ganhar mais conhecimentos sobre a formação dos planetas gelados e sobre os tipos de estrelas e planetas que devemos procurar na nossa busca pela vida.

ZAP // CCVAlg

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282: Planetas que orbitam estrela anã podem ter mais água do que a Terra

NASA / JPL-Caltech
Ilustração do possível aspecto do sistema TRAPPIST-1 a partir de um ponto de vista próximo do planeta TRAPPIST-1f (direita).

Alguns dos sete planetas extra-solares que orbitam a estrela anã vermelha TRAPPIST-1 poderão ter potencialmente mais água do que a Terra, indicou o Observatório Europeu do Sul, organização astronómica da qual Portugal faz parte.

O sistema planetário, cuja descoberta foi anunciada há cerca de um ano e para a qual contribuíram as observações registadas pela astrónoma portuguesa Catarina Fernandes, é o que tem o maior número de planetas do tamanho da Terra, sendo constituídos, de acordo com as conclusões de um novo estudo, principalmente por rochas.

Segundo um comunicado do OES, as densidades dos planetas, calculadas com maior precisão através de um modelo computacional, sugerem que “alguns destes corpos podem ter até 5% da sua massa sob a forma de água“, isto é, quase 250 vezes mais água do que os oceanos da Terra.

Por comparação, salienta o OES, o ‘planeta azul’ tem apenas cerca de 0,02% de água relativamente à sua massa. A água é um elemento fundamental para a vida tal como se conhece.

“Embora nos dêem importantes pistas sobre a composição dos planetas, as densidades não nos dizem nada sobre a sua habitabilidade. Apesar disso, o nosso estudo constitui um importante passo para determinarmos se estes planetas poderão suportar vida”, defendeu, citado pelo OES, um dos co-autores do estudo, Brice-Olivier Demory, da Universidade de Berna, na Suíça.

Dos sete planetas, o quarto a contar da estrela é o mais parecido com a Terra em termos de tamanho, densidade e radiação recebida e tem “potencial para ter água líquida à sua superfície”. De todos, é o mais rochoso, o que, para a equipa internacional de astrónomos que conduziu o estudo, continua a ser um mistério.

O Observatório Europeu do Sul, do qual dois telescópios, o TRAPPIST-South e o Telescópio Muito Grande (VLT, Very Large Telescope), permitiram detectar o sistema planetário, assinala que os cientistas “ficaram surpreendidos” por o quarto planeta ser o único “ligeiramente mais denso do que a Terra“, indiciando que “possa ter um núcleo de ferro mais denso” e não necessariamente uma atmosfera espessa, um oceano ou uma camada de gelo.

De acordo com a investigação, que descreve a natureza do sistema planetário TRAPPIST-1 e que será publicada na revista da especialidade Astronomy & Astrophysics, os planetas que estão mais perto da estrela e, por isso, são mais quentes terão atmosferas densas de vapor.

Em contrapartida, os mais distantes da estrela, que é extremamente fria quando comparada com outras estrelas, terão superfícies de gelo.

Os dois planetas mais interiores, ou seja, mais próximos da estrela-hospedeira, terão núcleos rochosos e estarão rodeados por “atmosferas muito mais espessas do que a da Terra”. O terceiro planeta é o mais leve de todos, com cerca de 30 por cento da massa da Terra.

Para o novo estudo contribuíram observações feitas através de telescópios terrestres, incluindo o ‘caçador’ de exoplanetas SPECULOOS, do OES, e telescópios espaciais, como o Spitzer e o Kepler, operados pela agência espacial norte-americana NASA.

A TRAPPIST-1 é uma estrela mais pequena do que o Sol e está situada a 40 anos-luz de distância da Terra. A descoberta dos sete planetas, com os intermédios em condições mais favoráveis de ter água líquida à superfície, segundo um estudo anterior, foi anunciada a 22 de fevereiro de 2017.

Meses antes, em Agosto, uma outra equipa de astrónomos anunciara a descoberta de um planeta extra-solar a orbitar a estrela mais próxima do Sol, a Próxima de Centauro, também uma anã vermelha e relativamente fria, mas localizada mais perto da Terra, a 4,22 anos-luz.

O planeta, o Próxima b, o mais perto da Terra, tem uma temperatura adequada para ter água líquida à sua superfície, pelo menos nas regiões mais quentes. Contudo, tem uma massa 1,3 vezes maior do que o ‘planeta azul’.

ZAP // Lusa

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5: Os planetas de Trappist-1 poderão ter irmãos gigantes gasosos

astrónomos confirmam detalhes orbitais do planeta mais misterioso de trappist-1

O novo trabalho de uma equipa de cientistas de Carnegie tentou determinar se existem, potencialmente, planetas gigantes gasosos em órbita de TRAPPIST-1 a distâncias superiores às dos sete planetas conhecidos.

 A descoberta de gigantes gasosos nas fronteiras longínquas deste sistema poderá ajudar os cientistas a compreender como é que os gigantes de gás do nosso Sistema, como Júpiter e Saturno, se formaram.

No início do ano, o Telescópio Espacial Spitzer da NASA deslumbrou o mundo quando revelou que TRAPPIST-1, uma anã ultrafria na direcção da constelação de Aquário, era o primeiro sistema conhecido com sete planetas do tamanho da Terra em órbita de uma única estrela. Três destes planetas estão na chamada zona habitável, a gama de distâncias que suportam, potencialmente, água à superfície de planetas rochosos.

Mas é possível que, tal como o nosso próprio Sistema Solar, TRAPPIST-1 também albergue planetas gigantes e gasosos a distâncias muito maiores do que estes planetas do tamanho da Terra que já sabemos fazerem parte do sistema.

“Uma série de outros sistemas estelares que incluem planetas do tamanho da Terra e super-Terras também são o lar de pelo menos um gigante gasoso“, comenta Alan Boss, o autor principal do artigo científico da equipa, publicado na revista The Astronomical Journal. “De modo que é importante a determinação da existência de gigantes de gás com órbitas de período mais longo.”

Boss voltou-se para o levantamento de caça exoplanetária que lidera juntamente com os co-autores Alycia Weinberger, Ian Thompson e outros. A equipa possui um instrumento especial no telescópio du Pont do Observatório Las Campanas chamado CAPSCam – Carnegie Astrometric Planet Search Camera.

Este telescópio procura exoplanetas usando o método astrométrico, através do qual a presença de um planeta pode ser detectada indirectamente através da oscilação da estrela-mãe em torno do centro de massa do sistema estelar.

Usando o CAPSCam, Boss e os colegas determinaram os limites superiores para a massa de quaisquer potenciais gigantes gasosos no sistema TRAPPIST-1, descobrindo que não existem planetas maiores que 4,6 vezes a massa de Júpiter em órbita da estrela com um período de 1 ano, e que também não existem planetas maiores que 1,6 vezes a massa de Júpiter em órbita da estrela com um período de 5 anos.

Estes períodos podem não parecer muito longos em comparação com o período de quase 12 anos de Júpiter, mas os sete planetas conhecidos de TRAPPIST-1 têm períodos que variam de 1,5 a 20 dias.

“Há muito mais espaço para investigações adicionais entre as órbitas de período mais longo que estudámos aqui e as órbitas mais curtas dos sete planetas conhecidos de TRAPPIST-1,” acrescenta Boss.

Se forem descobertos planetas gigantes e gasosos de longo período em redor da estrela TRAPPIST-1, então isso poderá ajudar a resolver um longo debate sobre a formação dos planetas gigantes do nosso próprio Sistema Solar.

Durante a juventude do nosso Sol, este estava cercado por um disco de gás e poeira a partir do qual os planetas nasceram. A Terra e os outros planetas terrestres formaram-se pela acreção lenta de material rochoso desse disco. Uma teoria para a formação dos planetas gigantes gasosos afirma que estes também começaram a acumular um núcleo sólido, que eventualmente conteria material suficiente para atrair gravitacionalmente um grande invólucro de gás circundante.

A teoria concorrente diz que os nossos gigantes de gás foram formados quando o disco giratório de gás e poeira do Sol assumiu uma forma espiral. Os braços espirais ganharam massa e densidade até formarem grupos distintos que rapidamente coalesceram em gigantes gasosos “bebés”.

Uma desvantagem da primeira hipótese, chamada de acreção do núcleo, é que não pode explicar facilmente como é que os gigantes gasosos se formam em torno de uma estrela de massa tão baixa como TRAPPIST-1, doze vezes menos massiva que o Sol. No entanto, os modelos computacionais da segunda hipótese por Boss, chamada instabilidade do disco, indicaram que os planetas gigantes de gás podem formar-se em torno destas anãs vermelhas.

“Os planetas gigantes gasosos potencialmente encontrados em órbita de TRAPPIST-1 podem desafiar a teoria da acreção do núcleo, mas não necessariamente a teoria da instabilidade do disco,” explicou Boss.

// Centro Ciência Viva do Algarve

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