‘Dança rítmica’ de exoplanetas desafia teorias de formação planetária

Planetas do sistema da estrela TOI-178 exibem grande ordenação em órbita, mas densidades esquisitas

Concepção artística do planeta no sistema TOI-178 mais afastado da estrela: exoplanetas com movimento orbital harmônico, mas propriedades físicas desordenadas. Crédito: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

Usando uma combinação de telescópios, incluindo o Very Large Telescope (VLT) do Observatório Europeu do Sul (ESO), astrônomos revelaram um sistema que consiste em seis exoplanetas, cinco dos quais estão travados em um raro ritmo em torno de sua estrela central. Os pesquisadores acreditam que o sistema pode fornecer pistas importantes sobre como os planetas, incluindo os do Sistema Solar, se formam e evoluem.

Na primeira vez que observaram a TOI-178, estrela a cerca de 200 anos-luz de distância na constelação do Escultor, os astrônomos pensaram que haviam avistado dois planetas girando em torno dela na mesma órbita. No entanto, um olhar mais atento revelou algo totalmente diferente.

“Por meio de observações adicionais, percebemos que não havia dois planetas orbitando a estrela aproximadamente à mesma distância dela, mas sim vários planetas em uma configuração muito especial”, disse Adrien Leleu, da Universidade de Genebra e da Universidade de Berna (Suíça), que liderou um novo estudo do sistema publicado na revista “Astronomy & Astrophysics”.

Ressonância

A nova pesquisa revelou que o sistema possui seis exoplanetas e que todos, exceto o mais próximo da estrela, estão travados em uma dança rítmica enquanto se movem em suas órbitas. Em outras palavras, eles estão em ressonância. Isso significa que existem padrões que se repetem conforme os planetas giram em torno da estrela, com alguns planetas se alinhando a cada poucas órbitas.

Uma ressonância semelhante é observada nas órbitas de três luas de Júpiter: Io, Europa e Ganimedes. Io, o satélite mais próximo de Júpiter entre esses três, completa quatro órbitas completas em torno de Júpiter para cada órbita que Ganimedes, o mais distante, faz, e duas órbitas completas para cada órbita que Europa faz.

Os cinco exoplanetas externos do sistema TOI-178 seguem uma cadeia de ressonância muito mais complexa, uma das mais longas já descobertas em um sistema de planetas. Enquanto as três luas de Júpiter estão em uma ressonância de 4:2:1, os cinco planetas externos no sistema TOI-178 seguem uma cadeia de 18:9:6:4:3: enquanto o segundo planeta da estrela (o primeiro na cadeia de ressonância) completa 18 órbitas, o terceiro planeta (o segundo na cadeia) completa 9 órbitas e assim por diante.

Pistas sobre o passado

Na verdade, os cientistas inicialmente encontraram apenas cinco planetas no sistema. Seguindo esse ritmo ressonante, porém, calcularam onde estaria um planeta adicional em sua órbita quando tivessem uma janela para observar o sistema.

Mais do que apenas uma curiosidade orbital, essa dança de planetas ressonantes fornece pistas sobre o passado do sistema. “As órbitas nesse sistema são muito bem ordenadas. Isso nos mostra que esse sistema evoluiu muito suavemente desde o seu nascimento”, explica o coautor Yann Alibert, da Universidade de Berna. Se o sistema tivesse sido significativamente perturbado no início de sua vida, por exemplo, por um impacto gigante, essa configuração frágil de órbitas não teria sobrevivido.

Representação gráfica do sistema planetário TOI-178, revelado pelo satélite Cheops, da ESA. São seis exoplanetas, cinco dos quais estão travados em uma rara dança rítmica enquanto orbitam sua estrela central. Os dois planetas internos têm densidades terrestres (como a Terra) e os quatro planetas externos são gasosos (com densidades como Netuno e Júpiter). Os cinco planetas externos seguem uma dança rítmica à medida que se movem em suas órbitas. Esse fenômeno, chamado de ressonância orbital, significa que há padrões que se repetem conforme os exoplanetas giram em torno da estrela, com alguns planetas se alinhando a cada número de órbitas. Enquanto os planetas no sistema TOI-178 orbitam sua estrela de uma maneira muito ordenada, suas densidades não seguem nenhum padrão particular. Um dos exoplanetas, denso como a Terra, está ao lado de um planeta de tamanho semelhante, mas muito fofo, como um mini-Júpiter. Ao lado dele está um muito semelhante a Netuno. A descoberta desafia as teorias atuais de formação de planetas. No gráfico, os tamanhos relativos dos planetas estão em escala, mas não as distâncias e o tamanho da estrela. Crédito: ESA
Desordem no sistema rítmico

Mas mesmo que o arranjo das órbitas seja limpo e bem ordenado, as densidades dos planetas “são muito mais desordenadas”, disse Nathan Hara, da Universidade de Genebra, que também esteve envolvido no estudo. “Parece que existe um planeta tão denso quanto a Terra ao lado de um planeta muito fofo com metade da densidade de Netuno, seguido por um planeta com a densidade de Netuno. Não é o que estamos acostumados a ver.”

No Sistema Solar, por exemplo, os planetas estão bem organizados. Os planetas rochosos e mais densos estão mais próximos da estrela central, e os fofos planetas gasosos, de baixa densidade, mais distantes.

“Esse contraste entre a harmonia rítmica do movimento orbital e as densidades desordenadas certamente desafia nossa compreensão da formação e evolução dos sistemas planetários”, diz Leleu.

Combinando técnicas

Para investigar a arquitetura incomum do sistema, a equipe usou dados do satélite Cheops, da Agência Espacial Europeia (ESA), juntamente com o instrumento Espresso baseado em terra, no VLT do ESO, e os NGTS e Speculoos, ambos localizados no Observatório do Paranal do ESO no Chile. Como os exoplanetas são extremamente difíceis de captar diretamente com telescópios, os astrônomos devem confiar em outras técnicas para detectá-los.

Os principais métodos usados são o de trânsitos de imagem (observar a luz emitida pela estrela central, que escurece quando um exoplaneta passa na frente dela quando observado da Terra) e o de velocidades radiais (observar o espectro de luz da estrela em busca de pequenos sinais de oscilações que acontecem quando os exoplanetas se movem em suas órbitas). A equipe usou esses dois métodos para observar o sistema: Cheops, NGTS e Speculoos para trânsitos e Espresso para velocidades radiais.

Ao combinarem as duas técnicas, os astrônomos conseguiram reunir informações importantes sobre o sistema e seus planetas. Estes, aliás, orbitam sua estrela central muito mais perto e muito mais rapidamente do que a órbita da Terra ao redor do Sol. O mais rápido (o planeta mais interno) completa uma órbita em apenas alguns dias, enquanto o mais lento leva cerca de dez vezes mais. Os seis planetas têm tamanhos que variam de cerca de um a cerca de três vezes o tamanho da Terra. Suas massas vão de 1,5 a 30 vezes a massa da Terra.

Planetas rochosos e gasosos

Alguns dos planetas são rochosos, mas maiores do que a Terra – esses planetas são conhecidos como super-Terras. Outros são planetas gasosos, como os planetas externos do Sistema Solar, mas muito menores – são apelidados de mini-Netunos.

Embora nenhum dos seis exoplanetas encontrados esteja na zona habitável da estrela, os pesquisadores sugerem que, continuando a cadeia de ressonância, eles podem encontrar planetas adicionais que podem existir nessa zona ou muito perto dela. O Extremely Large Telescope (ELT) do ESO, que deve começar a operar nesta década, poderá capturar imagens de exoplanetas rochosos diretamente na zona habitável de uma estrela e até mesmo caracterizar suas atmosferas, apresentando uma oportunidade de conhecer sistemas como TOI-178 mais detalhadamente.

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