Um grupo internacional de astrônomos, liderado por Martin Schlecker do Instituto Max Planck de Astronomia, descobriu que o arranjo rochoso, planetas gasosos e gelados em sistemas planetários aparentemente não são aleatórios e dependem apenas de algumas condições iniciais. O estudo, que aparecerá na revista científica Astronomia e Astrofísica , é baseado em uma nova simulação que rastreia a evolução dos sistemas planetários ao longo de vários bilhões de anos. Sistemas planetários em torno de estrelas semelhantes ao Sol, que produzem em suas regiões internas super-Terras com baixo teor de água e gás, muitas vezes formam um planeta comparável ao nosso Júpiter em uma órbita externa. Esses planetas ajudam a manter objetos potencialmente perigosos longe das regiões internas.

Os cientistas suspeitam que o planeta Júpiter desempenhou um papel importante no desenvolvimento da vida na Terra, porque sua gravidade freqüentemente desvia asteróides e cometas potencialmente perigosos em suas órbitas para a zona de planetas rochosos de uma forma que reduz o número de colisões catastróficas. Esta circunstância, portanto, levanta repetidamente a questão de saber se essa combinação de planetas é bastante aleatória, ou se é um resultado comum da formação de sistemas planetários.

Super-Terras Secas e Júpiteres Frios

Cientistas do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, a Universidade de Berna e a Universidade do Arizona encontraram agora fortes evidências de que planetas rochosos semelhantes à Terra ocorrem visivelmente com frequência em conjunto com um planeta semelhante a Júpiter que está em uma órbita ampla.

"Chamamos esses gigantes gasosos de Júpiteres frios. Eles crescem à distância da estrela central, onde a água existe na forma de gelo, "explica Martin Schlecker, estudante de doutorado no Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, quem conduziu o estudo. Os planetas semelhantes à Terra estudados são os chamados super-Terras secas, ou seja, planetas rochosos maiores e mais massivos que a Terra, que têm apenas uma fina atmosfera e quase nenhuma água ou gelo. Eles povoam o interior, ou seja, zona temperada dos sistemas planetários e são muito semelhantes à Terra, exceto pelo seu tamanho. "Também, a Terra é, apesar dos enormes oceanos e das regiões polares, com uma fração de volume de água de apenas 0,12%, um planeta seco, "Schlecker ressalta.

Encontrar um Júpiter frio junto com uma super-Terra rica em gelo na região interna é, portanto, quase impossível. Além disso, denso, envelopes de gás estendidos são encontrados principalmente em super-Terras massivas.

Simulações fornecem insights sobre processos difíceis de medir

Essas conclusões são baseadas em uma avaliação estatística de novas simulações de 1000 sistemas planetários que estão evoluindo em um disco protoplanetário ao redor de uma estrela parecida com o sol. Essas simulações são a última conquista de uma colaboração de longa data entre a Universidade de Berna e a MPIA para estudar as origens dos planetas de uma perspectiva teórica. Partindo de condições iniciais aleatórias, por exemplo., para as massas de gás e matéria sólida, o tamanho do disco e as posições das células-semente de novos planetas, os cientistas acompanharam o ciclo de vida desses sistemas ao longo de vários bilhões de anos. “Durante as simulações, os embriões planetários coletaram material, cresceu em planetas, mudaram suas órbitas, colidiram ou foram ejetados do sistema, "Christoph Mordasini, da Universidade de Berna e co-autor do artigo de pesquisa, descreve os processos simulados. Os sistemas planetários simulados eventualmente tiveram planetas de tamanhos diferentes, massas e composições em diferentes órbitas ao redor da estrela central.

Hubert Klahr, chefe do grupo de trabalho sobre a teoria da formação de planetas da MPIA, explica:"Tais simulações apóiam a investigação de sistemas exoplanetários, já que planetas como os Júpiteres frios requerem muito tempo para orbitar sua estrela-mãe em suas órbitas amplas. "Isso torna difícil encontrá-los por meio da observação, portanto, a busca por exoplanetas não reflete de forma realista a composição real dos sistemas planetários. É mais provável que os astrônomos encontrem planetas de grande massa em órbitas próximas ao redor de estrelas de baixa massa. "Simulações, por outro lado, são, em princípio, independentes de tais limitações, "acrescenta Klahr.

Observações e simulações não correspondem

"Queríamos verificar uma descoberta surpreendente após observações feitas nos últimos anos de que os sistemas planetários com o frio Júpiter quase sempre contêm uma super-Terra, "diz Schlecker. Por outro lado, cerca de 30% de todos os sistemas planetários nos quais as superterras são formadas também parecem ter um Júpiter frio. Seria plausível esperar que planetas massivos sejam mais propensos a interromper os sistemas planetários durante sua formação de tal forma que a formação de outros planetas seja prejudicada. Contudo, esses Júpiteres frios parecem estar suficientemente longe do interior, de modo que sua influência no desenvolvimento parece ser bastante pequena.

Contudo, a avaliação dos sistemas planetários simulados não pode confirmar esta tendência. Apenas um terço de todos os Júpiteres frios estava acompanhado por pelo menos uma super-Terra. Além disso, astrônomos encontraram um Júpiter frio em apenas 10% de todos os sistemas planetários sintéticos com superterras. Assim, as simulações mostram que as super-Terras e os Júpiteres frios têm apenas um pouco mais de probabilidade de ocorrerem juntos em um sistema planetário do que se aparecessem sozinhos. Os cientistas atribuem esse resultado a vários motivos.

Uma explicação tem a ver com a taxa na qual os planetas gasosos gradualmente migram para dentro. A teoria da formação do planeta parece prever taxas mais altas do que as observadas, levando a um maior acúmulo de gigantes gasosos em órbitas de distância intermediária. Nas simulações, esses "Júpiteres quentes" interferem nas órbitas internas e fazem com que mais super-Terras sejam ejetadas ou mesmo colidam em colisões gigantescas. Com uma tendência ligeiramente menor dos planetas gasosos simulados de migrar, mais das super-Terras permaneceriam, o que seria mais compatível com as observações.

Simulações preveem descobertas futuras

Agora, as observações apenas distinguem aproximadamente entre os diferentes tipos de super-Terras, porque sua caracterização exata exigiria medições precisas que dificilmente são possíveis com os instrumentos de hoje. Nas simulações do grupo Bern-Heidelberg, Contudo, isso é conseguido traçando o caminho de um planeta dentro do disco protoplanetário e seus encontros com outros planetas. "Encontramos um excesso significativo de sistemas planetários contendo um Júpiter frio e pelo menos uma super-Terra seca, ou seja, com pouca água ou gelo, e uma atmosfera tênue, no máximo, "Notas de Schlecker. Uma comparação com dados observacionais é difícil, por causa dos aproximadamente 3.200 sistemas planetários conhecidos até hoje, apenas 24 provaram ser comparáveis ​​a tal constelação. No entanto, os resultados disponíveis estão de acordo. Por outro lado, dificilmente existem sistemas planetários em que super-Terras com uma alta proporção de gelo e um Júpiter frio existam simultaneamente.

Com base nessas descobertas, os astrônomos deste estudo desenvolveram um cenário que poderia explicar a formação desses tipos bastante diferentes de sistemas planetários. Como mostram as simulações, a constelação final é determinada principalmente pela massa do disco protoplanetário, ou seja, a quantidade de material disponível para o acréscimo de planetas.

Em discos com massa média não há material suficiente no interior, região quente para produzir super-Terras. Ao mesmo tempo, a quantidade também é muito pequena nas partes externas além da linha de neve, onde a água está presente na forma congelada e a proporção de pedaços de gelo é bastante grande, para formar planetas massivos como Júpiter. Em vez de, o material ali se condensa em super-Terras com uma alta proporção de gelo com um envelope de gás possivelmente estendido. Essas super-Terras migram gradualmente para dentro. Em contraste, há material suficiente em discos massivos para formar planetas rochosos semelhantes à Terra a distâncias moderadas da estrela central e planetas gigantes frios além da linha da neve. Esses planetas rochosos são pobres em gelo e gás. Fora da órbita do frio Júpiter, super-Terras ricas em gelo podem se formar, mas sua migração na direção radial é limitada pela influência do planeta gigante. Portanto, eles não podem entrar no interior, zona quente.

A verificação da previsão só é possível dentro de alguns anos

Contudo, it will only be possible to verify this concept with powerful telescopes such as the Extremely Large Telescope (ELT) of the European Southern Observatory or the James Webb Space Telescope (JWST). Both are expected to be operational within this decade. "Theoretical predictions must be able to fail in the face of empirical experience, " Schlecker demands. "With the next-generation instruments that are about to be deployed, we will be able to test whether our model will hold up or whether we have to go back to the drawing boards."

Em princípio, this result could also apply to such dry rocky planets, which have roughly the size and the mass of the Earth. Então, it might not be a coincidence that the solar system contains a planet like Jupiter as well as Earth. Contudo, the measuring devices available today are not sensitive enough to reliably detect such Earth twins in large numbers by means of observations. Por esta razão, astronomers must currently still largely confine themselves to studying the Earth's massive counterparts. Only with the ELT and the JWST can we expect progress in this direction.