Planetas que encolhem explicariam mistério de mundos perdidos

Com dados do telescópio Kepler, pesquisadores descobriram que o encolhimento planetário ao longo de bilhões de anos provavelmente explica a escassez de planetas com quase o dobro do tamanho da Terra

Super-Terra (à direita na imagem): entre ela e os chamados mini-Netunos (ou seja, exoplanetas cujo raio mede entre 1,5 e duas vezes o raio terrestre) há uma grande escassez de planetas. Crédito: Nasa/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

Embora as missões de caça a planetas tenham descoberto milhares de mundos orbitando estrelas distantes, há uma grande escassez de exoplanetas que medem entre 1,5 e duas vezes o raio da Terra. Esse é o meio-termo entre as super-Terras rochosas e planetas maiores envoltos em gás, chamados mini-Netunos. Desde a descoberta dessa “lacuna de raio”, em 2017, os cientistas têm investigado por que existem tão poucos corpos celestes de médio porte.

Uma pista surgiu a partir de uma nova maneira de ver os dados. Uma equipe de pesquisadores liderada por Trevor David, do Flatiron Institute (EUA), investigou se a lacuna de raio muda com a idade dos planetas. Eles dividiram os exoplanetas em dois grupos – jovens e velhos – e reavaliaram a lacuna. Os raios de planeta menos comuns do conjunto mais jovem eram menores em média do que os menos comuns do conjunto mais antigo, eles descobriram. Enquanto o tamanho mais escasso para os planetas mais jovens era cerca de 1,6 vez o raio da Terra, era de cerca de 1,8 vez o raio da Terra em idades anteriores.

A implicação, os pesquisadores propõem, é que alguns mini-Netunos encolhem drasticamente ao longo de bilhões de anos à medida que suas atmosferas vazam, deixando para trás apenas um núcleo sólido. Ao perder seu gás, os mini-Netunos “saltam” a lacuna de raio do planeta e se tornam super-Terras. À medida que o tempo passa, a lacuna de raio muda à medida que mini-Netunos cada vez maiores dão o salto, transformando-se em super-Terras cada vez maiores. A lacuna, em outras palavras, é o abismo entre as super-Terras de maior tamanho e os mini-Netunos de menor tamanho que ainda podem reter suas atmosferas. Os pesquisadores relataram suas descobertas em artigo na revista The Astronomical Journal.

Calor residual e radiação intensa

“O ponto geral é que os planetas não são as esferas estáticas de rochas e gases que, por vezes, tendem a pensar que são”, diz David, pesquisador do Center for Computational Astrophysics (CCA) do Flatiron Institute, em Nova York. Em alguns modelos de perda de atmosfera propostos anteriormente, “alguns desses planetas eram 10 vezes maiores no início de suas vidas”.

As descobertas dão crédito a dois suspeitos previamente propostos no caso: calor residual da formação planetária e radiação intensa das estrelas hospedeiras. Ambos os fenômenos adicionam energia à atmosfera do planeta, fazendo com que o gás escape para o espaço. “Provavelmente ambos os efeitos são importantes”, diz David, “mas vamos precisar de modelos mais sofisticados para dizer quanto cada um deles contribui e quando” no ciclo de vida do planeta.

Os coautores do artigo incluem a pesquisadora Gabriella Contardo, do CCA, a cientista de pesquisa associada do CCA Ruth Angus, a cientista de pesquisa associada do CCA Megan Bedell, o cientista de pesquisa associado do CCA Daniel Foreman-Mackey e o pesquisador convidado do CCA Samuel Grunblatt.

O novo estudo usou dados coletados pelo telescópio espacial Kepler, que mediu a luz de estrelas distantes. Quando um exoplaneta se move entre uma estrela e a Terra, a luz observada da estrela diminui. Ao analisar a rapidez com que o planeta orbita sua estrela, o tamanho da estrela e a extensão do escurecimento, os astrônomos podem estimar o tamanho do exoplaneta. Em última análise, essas análises levaram à descoberta da lacuna de raio.

Mecanismos potenciais

Os cientistas já propuseram alguns mecanismos potenciais para a criação da lacuna, com cada processo ocorrendo em uma escala de tempo diferente. Alguns acreditavam que a lacuna ocorre durante a formação planetária, quando alguns planetas se formam sem gás suficiente nas proximidades para aumentar seu tamanho. Nesse cenário, o raio do planeta e, portanto, a lacuna de raio, seriam impressos no nascimento. Outra hipótese era que as colisões com rochas espaciais poderiam explodir a espessa atmosfera de um planeta, evitando que planetas menores acumulem muito gás. Esse mecanismo de impacto levaria cerca de 10 milhões a 100 milhões de anos.

Outros mecanismos potenciais requerem mais tempo. Uma proposta é que os intensos raios X e a radiação ultravioleta da estrela hospedeira de um planeta retiram o gás ao longo do tempo. Esse processo, chamado de fotoevaporação, levaria menos de 100 milhões de anos para a maioria dos planetas, mas poderia levar bilhões de anos para alguns. Outra sugestão é que o calor remanescente da formação de um planeta lentamente adiciona energia à atmosfera do planeta, fazendo com que o gás escape para o espaço ao longo de bilhões de anos.

David e seus colegas começaram sua investigação observando mais de perto a lacuna em si. Medir os tamanhos de estrelas e exoplanetas pode ser complicado. Então, eles limparam os dados para incluir apenas planetas cujos diâmetros eram conhecidos com segurança. Esse processamento de dados revelou uma lacuna mais vazia do que se pensava anteriormente.

Aprimoramento de modelagem 

Os pesquisadores então classificaram os planetas com base no fato de serem mais jovens ou mais velhos do que 2 bilhões de anos. (A Terra, para comparação, tem 4,5 bilhões de anos.) Como uma estrela e seus planetas se formam simultaneamente, eles determinaram a idade de cada planeta com base na idade de sua estrela.

Os resultados sugerem que mini-Netunos menores são incapazes de reter seu gás. Ao longo de bilhões de anos, o gás é eliminado, deixando para trás uma super-Terra praticamente sólida. Esse processo leva mais tempo para mini-Netunos maiores – que se tornam as maiores super-Terras –, mas não afeta os planetas gasosos mais gigantescos, cuja gravidade é forte o suficiente para conter suas atmosferas.

O fato de que a lacuna de raio evolui ao longo de bilhões de anos sugere que o culpado não são colisões planetárias ou uma peculiaridade inerente à formação planetária. O calor remanescente de dentro dos planetas, eliminando gradualmente a atmosfera, é uma boa opção, diz David. Mas a radiação intensa das estrelas-mãe também pode contribuir, especialmente no início. O próximo passo é os cientistas modelarem melhor como os planetas evoluem para descobrir qual explicação desempenha um papel maior. Isso pode significar considerar complexidades adicionais, como as interações entre atmosferas incipientes e campos magnéticos planetários ou oceanos de magma.

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