A massa do núcleo do exoplaneta gigante WASP-107b é muito menor do que o que se pensava necessário para construir o imenso envelope de gás em torno de planetas gigantes como Júpiter e Saturno, astrônomos da Université de Montréal descobriram.

Esta descoberta intrigante de Ph.D. A estudante Caroline Piaulet, do Instituto de Pesquisa de Exoplanetas da UdeM (iREx), sugere que os planetas gigantes gasosos se formam com muito mais facilidade do que se acreditava anteriormente.

Piaulet faz parte da equipe de pesquisa inovadora do professor de astrofísica da UdeM Björn Benneke que em 2019 anunciou a primeira detecção de água em um exoplaneta localizado na zona habitável de sua estrela.

Publicado hoje no Astronomical Journal com colegas no Canadá, os EUA., Alemanha e Japão, a nova análise da estrutura interna do WASP-107b "tem grandes implicações, "disse Benneke.

"Este trabalho aborda as próprias bases de como os planetas gigantes podem se formar e crescer, ", disse ele." Isso fornece uma prova concreta de que a acumulação maciça de um envelope de gás pode ser acionada para núcleos que são muito menos massivos do que se pensava anteriormente. "

Tão grande quanto Júpiter, mas 10 vezes mais leve

WASP-107b foi detectado pela primeira vez em 2017 por volta de WASP-107, uma estrela a cerca de 212 anos-luz da Terra na constelação de Virgem. O planeta está muito perto de sua estrela - mais de 16 vezes mais perto do sol do que a Terra. Tão grande quanto Júpiter, mas 10 vezes mais leve, WASP-107b é um dos exoplanetas menos densos conhecidos:um tipo que os astrofísicos apelidaram de planetas "superpuff" ou "algodão doce".

Piaulet e sua equipe primeiro usaram observações do WASP-107b obtidas no Observatório Keck no Havaí para avaliar sua massa com mais precisão. Eles usaram o método da velocidade radial, que permite aos cientistas determinar a massa de um planeta observando o movimento oscilante de sua estrela hospedeira devido à atração gravitacional do planeta. Eles concluíram que a massa de WASP-107b é cerca de um décimo da de Júpiter, ou cerca de 30 vezes o da Terra.

A equipe então fez uma análise para determinar a estrutura interna mais provável do planeta. Eles chegaram a uma conclusão surpreendente:com uma densidade tão baixa, o planeta deve ter um núcleo sólido com no máximo quatro vezes a massa da Terra. Isso significa que mais de 85% de sua massa está incluída na espessa camada de gás que envolve esse núcleo. Por comparação, Netuno, que tem uma massa semelhante a WASP-107b, tem apenas 5 a 15 por cento de sua massa total em sua camada de gás.

"Tínhamos muitas dúvidas sobre o WASP-107b, "disse Piaulet." Como pôde um planeta de tão baixa densidade se formar? E como ele evitou que sua enorme camada de gás escapasse, especialmente devido à proximidade do planeta com sua estrela?

"Isso nos motivou a fazer uma análise aprofundada para determinar sua história de formação."

Um gigante gasoso em formação

Os planetas se formam no disco de poeira e gás que envolve uma jovem estrela chamada disco protoplanetário. Modelos clássicos de formação de planetas gigantes gasosos são baseados em Júpiter e Saturno. Nesses, um núcleo sólido pelo menos 10 vezes mais massivo do que a Terra é necessário para acumular uma grande quantidade de gás antes que o disco se dissipe.

Sem um núcleo massivo, planetas gigantes gasosos não eram considerados capazes de cruzar o limiar crítico necessário para construir e reter seus grandes envoltórios de gás.

Como então explicar a existência de WASP-107b, qual tem um núcleo muito menos massivo? Professora da McGill University e membro do iREx Eve Lee, um especialista de renome mundial em planetas superpuffosos como WASP-107b, tem várias hipóteses.

"Para WASP-107b, o cenário mais plausível é que o planeta se formou longe da estrela, onde o gás no disco está frio o suficiente para que a acumulação de gás possa ocorrer muito rapidamente, "disse ela." Mais tarde, o planeta foi capaz de migrar para sua posição atual, seja por meio de interações com o disco ou com outros planetas no sistema. "

Descoberta de um segundo planeta, WASP-107c

As observações Keck do sistema WASP-107 cobrem um período de tempo muito mais longo do que os estudos anteriores, permitindo que a equipe de pesquisa liderada pelo UdeM faça uma descoberta adicional:a existência de um segundo planeta, WASP-107c, com uma massa de cerca de um terço da de Júpiter, consideravelmente mais do que o WASP-107b.

WASP-107c também está muito mais distante da estrela central; leva três anos para completar uma órbita em torno dele, em comparação com apenas 5,7 dias para WASP-107b. Também interessante:a excentricidade deste segundo planeta é alta, o que significa que sua trajetória em torno de sua estrela é mais oval do que circular.

"O WASP-107c, em alguns aspectos, manteve a memória do que aconteceu em seu sistema, "disse Piaulet." Sua grande excentricidade sugere um passado bastante caótico, com interações entre os planetas que poderiam ter levado a deslocamentos significativos, como o suspeito de WASP-107b. "

Várias outras questões

Além de sua história de formação, there are still many mysteries surrounding WASP-107b. Studies of the planet's atmosphere with the Hubble Space Telescope published in 2018 revealed one surprise:it contains very little methane.

"That's strange, because for this type of planet, methane should be abundant, " said Piaulet. "We're now reanalysing Hubble's observations with the new mass of the planet to see how it will affect the results, and to examine what mechanisms might explain the destruction of methane."

The young researcher plans to continue studying WASP-107b, hopefully with the James Webb Space Telescope set to launch in 2021, which will provide a much more precise idea of the composition of the planet's atmosphere.

"Exoplanets like WASP-107b that have no analogue in our Solar System allow us to better understand the mechanisms of planet formation in general and the resulting variety of exoplanets, " she said. "It motivates us to study them in great detail."

"WASP-107b's density is even lower:a case study for the physics of gas envelope accretion and orbital migration, " by Caroline Piaulet et al., was posted today in the  Astronomical Journal .