Uma simulação de computador de como a distribuição dos tamanhos dos planetas muda à medida que os sistemas planetários envelhecem. A lacuna do raio é evidente em torno do dobro do raio da Terra - embora dependa dos períodos orbitais dos planetas. As evidências sugerem que a lacuna muda ao longo do tempo conforme os miniplanos de Netuno envolvidos por gás perdem sua atmosfera, deixando para trás uma super-Terra sólida. Um planeta passando por este processo é destacado (representado como um núcleo com uma atmosfera), com sua mudança de tamanho plotada à direita. Crédito:Animação de Erik Petigura (UCLA); Simulação por James Owen (Imperial College London)
Houve um avanço no caso dos planetas ausentes.
Enquanto as missões de caça a planetas descobriram milhares de mundos orbitando estrelas distantes, existe uma grande escassez de exoplanetas que medem entre 1,5 e duas vezes o raio da Terra. Esse é o meio termo entre super-Terras rochosas e maiores, planetas envoltos em gás chamados mini-Neptunes. Desde a descoberta dessa 'lacuna de raio' em 2017, os cientistas têm investigado por que existem tão poucos corpos celestes de médio porte.
A nova pista surgiu de uma nova maneira de ver os dados. Uma equipe de pesquisadores liderada por Trevor David do Flatiron Institute investigou se a lacuna do raio muda com a idade dos planetas. Eles dividiram os exoplanetas em dois grupos - jovens e velhos - e reavaliaram a lacuna. Os raios menos comuns do planeta do conjunto mais jovem eram menores, em média, do que os menos comuns do conjunto mais antigo, eles encontraram. Embora o tamanho mais escasso para os planetas mais jovens fosse cerca de 1,6 vezes o raio da Terra, é cerca de 1,8 vezes o raio da Terra em idades anteriores.
A implicação, os pesquisadores propõem, é que alguns mini-Neptunes 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-Neptunes "saltam" a lacuna do raio do planeta e se tornam super-Terras. Conforme o tempo passa, a lacuna do raio muda conforme mini-Neptunes 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-Neptunes de menor tamanho que ainda podem reter suas atmosferas. Os pesquisadores relatam suas descobertas em 14 de maio em The Astronomical Journal .
"O ponto principal é que os planetas não são as esferas estáticas de rochas e gás que às vezes tendemos a considerá-los, "diz David, pesquisador do Centro de Astrofísica Computacional (CCA) do Flatiron Institute na cidade de 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 de um planeta, fazendo com que o gás escape para o espaço. "Provavelmente ambos os efeitos são importantes, "diz David, "mas precisaremos de modelos mais sofisticados para dizer quanto cada um deles contribui e quando" no ciclo de vida do planeta.
Os co-autores do artigo incluem Gabriella Contardo, pesquisadora CCA, Ruth Angus, cientista de pesquisa associada ao CCA, Megan Bedell, cientista de pesquisa associada do CCA, O cientista pesquisador associado do CCA Daniel Foreman-Mackey e o pesquisador convidado Samuel Grunblatt.
O novo estudo usou dados coletados pela espaçonave 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, astrônomos podem estimar o tamanho do exoplaneta. Em última análise, essas análises levaram à descoberta da lacuna do raio.
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. Neste cenário, o raio do planeta, e, portanto, a lacuna do raio, seria impresso 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 raios X intensos e a radiação ultravioleta da estrela hospedeira de um planeta retiram o gás ao longo do tempo. Este processo, chamado 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. Avaliar o tamanho de estrelas e exoplanetas pode ser complicado, então eles limparam os dados para incluir apenas planetas cujos diâmetros eram conhecidos com segurança. Este processamento de dados revelou uma lacuna mais vazia do que se pensava anteriormente.
Os pesquisadores então classificaram os planetas com base no fato de serem mais jovens ou mais velhos do que 2 bilhões de anos. (Terra, para comparação, tem 4,5 bilhões de anos.) Visto que 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-Neptunes menores são incapazes de reter seu gás. Ao longo de bilhões de anos, o gás é retirado, deixando para trás uma super-Terra principalmente sólida. Esse processo leva mais tempo para mini-Neptunes maiores - que se tornam as maiores super-Terras - mas não afetará os planetas gasosos mais gigantescos, cuja gravidade é forte o suficiente para manter suas atmosferas.
O fato de que a lacuna do raio evolui ao longo de bilhões de anos sugere que o culpado não é colisões planetárias ou uma peculiaridade inerente à formação planetária. O calor remanescente de dentro dos planetas, eliminando gradualmente a atmosfera é um bom ajuste, David diz, 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 poderia significar considerar complexidades adicionais, como as interações entre atmosferas incipientes e campos magnéticos planetários ou oceanos de magma.
