Neste trecho, explore como o campo de exoplanetas surgiu quase da noite para o dia e o que a riqueza de novas descobertas nos diz sobre os mundos que circulam nosso próprio Sol

Os astrônomos descobriram milhares de mundos circulando outras estrelas – e muitos parecem muito diferentes dos planetas familiares do próprio sistema solar. Crédito da imagem: Astronomy : Roen Kelly

Enquanto os astrônomos explicam a origem e a composição da família de planetas do nosso Sol há centenas de anos, essa história só se concretizou nos últimos 30 anos. Antes disso, os astrônomos supunham que os planetas nasciam na localização e configuração em que os vemos hoje. A ideia de planetas se movendo enquanto estão se formando só foi seriamente considerada quando planetas em outros sistemas, exoplanetas, foram realmente encontrados.

OS JÚPITERES QUENTES

Em 1995, astrônomos estudando a estrela próxima 51 Pegasi descobriram que ela parecia estar balançando para frente e para trás, movimento que se revelou através de um padrão regular de mudanças Doppler em seu espectro. As observações sugerem que a estrela está em órbita em torno de uma posição ligeiramente deslocada de seu centro. Ao medir o tamanho da oscilação, foi possível obter uma estimativa da massa do objeto perturbador, que acabou sendo menos da metade da massa de Júpiter, pequeno demais para ser uma estrela. Eles encontraram um exoplaneta!

A descoberta foi intrigante. O novo planeta completa uma órbita a cada 4,23 dias. Isso colocou esse mundo gigante, que esperávamos encontrar nos confins gelados de seu sistema solar externo, sete vezes mais próximo de sua estrela do que Mercúrio está do Sol. Encontrar um planeta gigante tão perto de sua estrela e medir sua órbita em apenas alguns dias foi completamente inesperado, colocando em questão tudo o que imaginávamos sobre sistemas planetários.

Um desses planetas pode ter sido uma exceção, o resultado de algum acidente glorioso e incomum de formação de planetas. Mas “Júpiteres quentes”, como o planeta que perturba 51 Pegasi, eram comuns. Mais de 400 são conhecidos até o momento e representam cerca de 10% dos exoplanetas conhecidos. Isso exagera sua abundância real; é mais fácil encontrar um grande planeta perto de sua estrela, onde induzirá oscilações significativas, do que captar o sinal de um mundo insignificante do tamanho da Terra. Corrigindo esses vieses, os Júpiteres quentes parecem representar cerca de 1% de todos os mundos. Isso não parece muito, mas poderia facilmente significar que há um bilhão de Júpiteres quentes só na Via Láctea! 

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Escrito pelo astro do rock e astrônomo Brian May, o astrofísico da Universidade de Oxford Chris Lintott, a cientista planetária Hannah Wakeford e o amado falecido Sir Patrick Moore, esta edição atualizada certamente se tornará sua referência para todas as coisas cósmicas.

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Quando um planeta cruza a face de uma estrela, há um leve escurecimento no brilho dessa estrela medido a partir da Terra. Este princípio é usado para identificar exoplanetas orbitando outras estrelas. Crédito da imagem: Astronomy : Roen Kelly

O método usado para encontrar o planeta em torno de 51 Pegasi, conhecido como método de velocidade radial, requer tempo de telescópio suficiente para prestar atenção a uma estrela de interesse durante muitas noites. A maioria dos exoplanetas conhecidos hoje foram encontrados pela busca de trânsitos, um método que nos permite pesquisar muitas estrelas de uma só vez. Esta técnica baseia-se no fato de que, se a órbita de um planeta estiver alinhada de tal forma que, como visto da Terra, ele passa na frente da estrela, a estrela parecerá desvanecer-se apenas ligeiramente. Um efeito semelhante é visto da Terra quando Mercúrio ou Vênus transitam na frente do Sol. Graças às complexidades da geometria planetária, tais eventos são raros, mas em toda a galáxia deve haver mundos que estão posicionados de tal forma que os planetas de nosso sistema solar cruzam na frente do Sol a cada órbita, causando uma série regular de piscadas. De fato, a Estrela de Teegarden, uma anã vermelha, parece ter exatamente esse sistema. Se houver astrônomos nesses planetas, o que eles poderiam aprender sobre nosso sistema solar? 

Eles podiam medir o raio de cada planeta em relação ao tamanho do Sol; a quantidade de luz bloqueada pelo planeta corresponde à proporção das duas áreas. Ao cronometrar o período entre trânsitos sucessivos, eles obteriam o período orbital e, graças às leis de Kepler, a distância do planeta à estrela. (Você pode ver por que planetas grandes e próximos seriam mais fáceis de detectar por meio desse método do que planetas menores que estão mais distantes de suas estrelas.) A aplicação dessas técnicas aos Júpiteres quentes conhecidos nos diz que eles abrangem uma faixa de tamanho que começa em 100 massas terrestres (cerca de um terço da massa de Júpiter) e que vai até 13 vezes a massa de Júpiter. Esse número mais alto é provavelmente um limite fundamental; mais massivo do que isso, e a pressão e a temperatura no núcleo serão altas o suficiente para permitir a fusão do deutério,

CONSTRUINDO GIGANTES

Essa faixa de massas deixa claro que não estamos lidando com planetas como nosso próprio Mercúrio, o único mundo que fica perto o suficiente do Sol para completar uma órbita em menos de 100 dias, uma faixa que inclui três quartos dos exoplanetas conhecidos. Como esses mundos estranhos surgiram?

A missão da espaçonave Kepler foi projetada para observar uma região da Via Láctea e determinar a fração das centenas de bilhões de estrelas em nossa galáxia que podem hospedar exoplanetas. Kepler descobriu milhares de exoplanetas em trânsito, obtendo uma medida de seu raio em relação às suas estrelas. Este diagrama mostra o número de planetas descobertos com órbitas de menos de 100 dias, mostrando que há um grande número de mundos bem diferentes daqueles em nosso sistema solar. Crédito da imagem: Astronomia/Roen Kelly; depois de Wakeford & Dalba, 2020

Uma parte da resposta é que às vezes é mais fácil formar planetas com eficiência. Talvez sem surpresa, há uma correlação entre a metalicidade da estrela, quanto material existe em outras formas além de hidrogênio e hélio; e a probabilidade de existirem planetas gigantes. Quanto mais material houver para formar planetas, mais planetas se formarão! Mas, embora essa relação soe como nada mais do que senso comum, não parece valer para planetas menores que Netuno. Isso sugere que há um limiar fundamental que precisa ser alcançado antes que um planeta gigante possa se formar.

As condições necessárias devem ser alcançadas com mais frequência no disco protoplanetário externo, onde a formação do planeta pode ocorrer rapidamente. Para reconciliar esses Júpiteres quentes com uma teoria de formação de planetas, que diz que mundos tão grandes devem se formar além da linha de gelo onde a água e outros voláteis existem como gelo, a ideia de planetas migrando através do disco à medida que se formam se torna essencial. Para se tornar um Júpiter quente, esses mundos devem ter viajado uma distância significativa, atravessando o disco interno, coletando e expelindo material por meio de sua atração gravitacional. Esta é provavelmente uma má notícia para qualquer pequeno planeta rochoso com ambições de permanecer em uma boa órbita calma e estável, mas também levanta uma questão fundamental, como você impede que tal planeta caia na estrela?

Brian May observa o trânsito de Vênus em 2004 projetando a imagem do Sol em um cartão branco. Crédito da imagem: Kate Shemilt

A resposta é que na maioria das vezes, provavelmente não. Em muitos sistemas, planetas se formarão, migrarão através do disco e desaparecerão no esquecimento ardente. Mas, em alguns casos, as interações de maré entre o planeta em migração e sua estrela forçam o recém Júpiter-quente a se estabelecer nas órbitas circulares, estáveis, que vemos hoje.

LIDANDO COM AS LACUNAS

E os 99% dos planetas que não são Júpiteres quentes? O caçador de planetas mais prolífico foi o Telescópio Espacial Kepler, projetado especificamente para detectar trânsitos. Após o lançamento em 2009, passou três anos olhando para um único pedaço do céu noturno, escolhido por ser rico em estrelas e ainda assim desprovido de quaisquer exemplos particularmente brilhantes, na fronteira entre as constelações de Cygnus e Lyra na parte norte de o céu. Kepler mediu o brilho de cada uma das 150.000 estrelas a cada 30 minutos, e o de um número menor de sistemas selecionados a cada minuto. Seus planetas rochosos pretendidos eram planetas onde a vida como a nossa poderia, talvez, existir; mundos terrestres em torno de estrelas semelhantes ao Sol, de preferência na distância certa da estrela que a temperatura permitiria a água líquida. O que encontrou foi muito mais interessante.

Os astrônomos têm várias maneiras de encontrar planetas circulando outras estrelas. Um deles é o método da velocidade radial, que mede a maneira como uma estrela “balança” para frente e para trás no céu enquanto um planeta em órbita puxa seu sol. Essa oscilação afeta o comprimento de onda, ou cor, da luz que recebemos da estrela, fazendo-a parecer mais vermelha ou mais azul, dependendo da direção do movimento. Crédito da imagem: Astronomy/Roen Kelly

Acontece que o tipo de planeta mais comum na Via Láctea é aquele que não existe em nosso próprio sistema solar, com um raio entre o da Terra e o de um planeta como Netuno, quatro vezes maior que a Terra. Os membros dessa nova classe de planetas são conhecidos como super-Terras, se sua densidade sugerir que são rochosos, ou mini-Netunos, se uma densidade mais baixa indicar uma natureza gasosa. Idealmente, saberíamos não apenas o raio, que pode ser determinado pelo método de trânsito, mas também a massa, para a qual precisamos de uma detecção via velocidade radial.

Infelizmente, a maioria das estrelas estudadas pelo Kepler estão muito distantes ou muito fracas para permitir medições úteis de velocidade radial. Um novo satélite da NASA, TESS (abreviação de Transiting Exoplanet Survey Satellite), está procurando planetas em torno de estrelas próximas, em parte para corrigir esse problema. Até agora, o que sabemos é que mini-Netunos e super-Terras são tão comuns que é estranho que nenhum deles exista em nossa própria família planetária. Se pegarmos todos os planetas encontrados pelo Kepler em órbitas com menos de 100 dias e ajustarmos o fato de que planetas maiores e próximos são mais fáceis de ver, mais da metade dos planetas detectados ainda se enquadram nessa categoria.

O ALMA fez o primeiro levantamento em larga escala de discos protoplanetários em torno de estrelas próximas. Esta imagem mostra 20 sistemas próximos onde poeira e gás estão formando novos planetas. É possível distinguir lacunas nos discos, que parecem demarcar suas porções interna e externa. Crédito da imagem: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.

Na verdade, este exercício revela outra nova verdade sobre a população planetária. Há uma clara ausência de planetas com tamanhos bem no meio da lacuna entre a Terra e Netuno; em 1,7 raios da Terra, em particular, existem poucos planetas, uma característica que ficou conhecida como vale do raio. Parece que os planetas realmente são uma super-Terra ou um mini-Netuno, situados de um lado do vale ou do outro. A explicação vem do tempo em que os planetas ainda estão se formando. À medida que a estrela aquece o disco, apenas os planetas mais massivos podem se manter em suas atmosferas. Se o planeta em formação não for massivo o suficiente, sua atmosfera se perderá e acabará como uma super-Terra, enquanto os mundos mais massivos podem se agarrar ao gás e permanecer mini-Netunos. 

Os detalhes desses processos, e como eles podem ter influenciado a formação do nosso próprio mundo, ainda estão sendo elaborados, mas a existência dessa divisão fundamental entre tipos planetários que ignorávamos completamente até alguns anos atrás dá uma ideia de como quão rápido as coisas estão mudando. Observações cuidadosas de planetas em ambos os lados do vale do raio, juntamente com suas estrelas, serão uma grande parte da astrofísica na próxima década.

Beta Pictoris é um exemplo bem conhecido de uma estrela com um disco de detritos ao redor. Esta estrela foi a primeira a ter um exoplaneta fotografado diretamente. Observações infravermelhas feitas pelo Observatório Europeu do Sul no Chile revelaram um planeta orbitando a estrela (cuja presença brilhante foi artificialmente removida pelo grande disco para aumentar o contraste necessário para revelar o planeta). Crédito da imagem: ESO/A.-M. Lagrange et al.

EM MOVIMENTO

Uma terceira grande surpresa de nossas descobertas de exoplanetas é que um terço dos mundos conhecidos têm órbitas distintamente excêntricas. É verdade que a órbita da Terra não é exatamente um círculo, mas é bem próxima, sua excentricidade é 0,016, então a diferença de comprimento entre os eixos mais longo e mais curto não é muito mais do que 1%. Um terço dos exoplanetas têm excentricidades superiores a 0,1, uma ordem de magnitude maior. Este fato é uma pista de que a vida em um sistema solar em formação pode ser ainda mais complicada do que suspeitávamos até agora.

Sabemos que os planetas podem se mover através do disco protoplanetário, geralmente interagindo com o material do próprio disco. Essas grandes excentricidades foram causadas por interações mais dramáticas entre planetas, então o fato de os planetas do nosso sistema solar terem órbitas amplamente circulares nos diz que deve ter sido um lugar incomumente calmo quando eles estavam se formando.

Planetas rochosos maiores que a Terra, apelidados de super-Terras, estão se tornando cada vez mais comuns entre os achados de exoplanetas. Não existe tal planeta em nosso sistema solar, é claro. Essas super-Terras, todas as interpretações de artistas, exceto a Terra na extrema direita para comparação, todas ficam dentro das zonas habitáveis ??de suas estrelas, o que significa que elas podem potencialmente sustentar a vida. Crédito da imagem: NASA Ames/JPL-Caltech

Interações ainda mais extremas são possíveis. Quando dois grandes corpos se aproximam, suas esferas de influência gravitacional se sobrepõem. Qualquer coisa presa entre eles se tornará dinamicamente excitada, em outras palavras, órbitas antes estáveis serão interrompidas e o material poderá ser expelido do sistema. É até possível que um dos planetas seja expelido, girando no espaço. 

Alguns errantes interestelares foram até detectados, graças a uma técnica chamada lente gravitacional, originalmente desenvolvida para observar galáxias distantes. Se um planeta passa entre nós e uma estrela distante, ele age como uma lente não detectada, dobrando e amplificando a luz da estrela e revelando sua presença. Planetas distantes, mesmo do outro lado da Via Láctea, podem ser encontrados por essa técnica, especificamente por meio de uma forma conhecida como microlente, porque as mudanças são pequenas. Além disso, a quantidade de brilho da estrela nos diz sobre a massa do planeta e vários dos detectados têm massas comparáveis à da Terra.

Mini-Netunos são planetas gasosos menores que Netuno, mas maiores que a Terra. Nosso sistema solar também está visivelmente ausente desse tipo de planeta, que os astrônomos estão descobrindo serem comuns em todo o cosmos. Aqui, as ilustrações do artista de dois desses mini-Netunos (TOI-421 b e GJ 1214 b) são mostradas em escala com fotos da Terra e Netuno. Crédito da imagem: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

IMAGEM PERFEITA

É claro que podemos aprender muito com esses métodos indiretos de detecção de planetas. De fato, para a maioria dos sistemas, não temos escolha a não ser confiar nessas técnicas, onde aprendemos sobre os planetas estudando estrelas. No entanto, é indubitavelmente verdade que imagens diretas, vendo os próprios planetas, podem nos dizer muito mais. O problema não é tanto que os planetas sejam intrinsecamente fracos, especialmente após a formação, quando ainda estão sendo aquecidos por sua contração gravitacional, eles brilharão intensamente, mas que o brilho da luz da estrela os torna muito difíceis de detectar.

O planeta 51 Pegasi b, imaginado na versão deste artista, foi o primeiro planeta extra-solar descoberto circulando uma estrela parecida com o Sol. É um Júpiter quente que orbita sua estrela uma vez a cada quatro dias, a uma distância cerca de sete vezes mais próxima do que Mercúrio orbita o Sol. Crédito da imagem: ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger (skysurvey.org)

Comparar cada um desses sistemas de exoplanetas com o nosso levanta muitas questões. Por que os planetas do sistema solar estão em órbitas quase circulares? Por que não temos uma super-Terra? Por que Júpiter permaneceu onde está, em vez de atravessar o sistema solar interno e se tornar um Júpiter quente? Hoje, os cientistas analisam as origens de nosso próprio sistema solar à luz dessas novas descobertas, aprendendo mais sobre nosso próprio lar agora que olhamos para as estrelas.

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Referência:

MAY, Brian; MOORE, Patrick; LINTOTT, Chris; WAKEFORD, Hannah. Queen guitarist Brian May explains how we discovered exoplanets in new book, Bang!! Astronomy, 09, jun. 2022. Disponível em: <https://astronomy.com/magazine/news/2022/06/bang-2-excerpt>. Acesso em: 10, jun. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.