Esta ilustração mostra três possíveis interiores dos sete exoplanetas rochosos no sistema TRAPPIST-1, com base em medições de precisão das densidades do planeta. No geral, os mundos TRAPPIST-1 têm densidades notavelmente semelhantes, o que sugere que eles podem compartilhar a mesma proporção de elementos formadores de planetas comuns. As densidades do planeta são ligeiramente mais baixas do que a da Terra ou Vênus, o que pode significar que eles contêm fracionariamente menos ferro (um material altamente denso), ou mais materiais de baixa densidade, como água ou oxigênio. No primeiro modelo (à esquerda), o interior do planeta é composto de ferro misturado a elementos mais leves, como oxigênio. Não há núcleo de ferro sólido, como é o caso da Terra e dos outros planetas rochosos de nosso próprio sistema solar. O segundo modelo mostra uma composição geral semelhante à da Terra, em que os materiais mais densos se fixaram no centro do planeta, formando um núcleo rico em ferro proporcionalmente menor que o núcleo da Terra. Uma variação é mostrada no terceiro painel onde um maior, núcleo mais denso poderia ser equilibrado por um extenso oceano de baixa densidade na superfície do planeta. Contudo, este cenário só pode ser aplicado aos quatro planetas externos no sistema TRAPPIST-1. Nos três planetas internos, quaisquer oceanos vaporizariam devido às altas temperaturas perto de sua estrela, e um modelo de composição diferente é necessário. Uma vez que todos os sete planetas têm densidades notavelmente semelhantes, é mais provável que todos os planetas compartilhem uma composição em massa semelhante, tornando este quarto cenário improvável, mas não descartado. As medições de massa e diâmetro de alta precisão dos exoplanetas no sistema TRAPPIST-1 permitiram aos astrônomos calcular as densidades gerais desses mundos com um grau de precisão sem precedentes na pesquisa de exoplanetas. As medições de densidade são uma primeira etapa crítica na determinação da composição e estrutura dos exoplanetas, mas devem ser interpretados através das lentes dos modelos científicos da estrutura planetária. Crédito:NASA / JPL-Caltech
A estrela anã vermelha TRAPPIST-1 é o lar do maior grupo de planetas aproximadamente do tamanho da Terra já encontrados em um único sistema estelar. Localizado a cerca de 40 anos-luz de distância, esses sete irmãos rochosos fornecem um exemplo da tremenda variedade de sistemas planetários que provavelmente preenchem o universo.
Um novo estudo publicado hoje no Planetary Science Journal mostra que os planetas TRAPPIST-1 têm densidades notavelmente semelhantes. Isso pode significar que todos eles contêm aproximadamente a mesma proporção de materiais que se pensa compor a maioria dos planetas rochosos, como ferro, oxigênio, magnésio, e silício. Mas se for esse o caso, essa proporção deve ser notavelmente diferente da da Terra:os planetas TRAPPIST-1 são cerca de 8% menos densos do que seriam se tivessem a mesma composição de nosso planeta natal. Com base nessa conclusão, os autores do artigo levantaram a hipótese de que algumas misturas diferentes de ingredientes poderiam dar aos planetas TRAPPIST-1 a densidade medida.
Alguns desses planetas são conhecidos desde 2016, quando os cientistas anunciaram que encontraram três planetas ao redor da estrela TRAPPIST-1 usando os planetas em trânsito e o pequeno telescópio de planetesimais (TRAPPIST) no Chile. As observações subsequentes do agora aposentado Spitzer Space Telescope da NASA, em colaboração com telescópios terrestres, confirmou dois dos planetas originais e descobriu mais cinco. Gerenciado pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia, Spitzer observou o sistema por mais de 1, 000 horas antes de ser desativado em janeiro de 2020. O Hubble da NASA e os telescópios espaciais Kepler, agora aposentados, também estudaram o sistema.
Todos os sete planetas TRAPPIST-1, que estão tão perto de sua estrela que caberiam na órbita de Mercúrio, foram encontrados por meio do método de trânsito:os cientistas não podem ver os planetas diretamente (eles são muito pequenos e fracos em relação à estrela), portanto, procuram por quedas no brilho da estrela criadas quando os planetas se cruzam na frente dela.
Este gráfico apresenta as propriedades medidas dos sete exoplanetas TRAPPIST-1 (rotulados de b a h), mostrando como eles se comparam, bem como para a Terra e os outros mundos rochosos internos em nosso próprio sistema solar. Os tamanhos relativos dos planetas são indicados pelos círculos. Todos os planetas TRAPPIST-1 conhecidos são maiores do que Marte, com 5 deles dentro de 15% do diâmetro da Terra. As "zonas habitáveis" correspondentes dos dois sistemas planetários, regiões onde um planeta semelhante à Terra poderia potencialmente conter água líquida em sua superfície, são indicados perto do topo do gráfico. O deslocamento entre as duas zonas se deve ao fato de a estrela TRAPPIST-1, mais fria, emitir mais luz na forma de radiação infravermelha, que é absorvida de maneira mais eficiente por uma atmosfera semelhante à da Terra. Uma vez que leva menos iluminação para atingir as mesmas temperaturas, a zona habitável se afasta cada vez mais da estrela. As massas e densidades dos planetas TRAPPIST-1 foram determinadas por medições cuidadosas de pequenas variações nos tempos de suas órbitas usando extensas observações feitas pelos telescópios espaciais Spitzer e Kepler da NASAs, em combinação com dados do Hubble e uma série de telescópios terrestres. A última análise, que inclui o registro completo do Spitzer de mais de 1, 000 horas de observações TRAPPIST-1, reduziu as incertezas das medições de massa para meros 2-3%. Estas são, de longe, as medições mais precisas das massas planetárias em qualquer lugar fora de nosso sistema solar. Crédito:NASA / JPL-Caltech
Observações repetidas das quedas de luz das estrelas combinadas com medições do tempo das órbitas dos planetas permitiram aos astrônomos estimar as massas e diâmetros dos planetas, que, por sua vez, eram usados para calcular suas densidades. Cálculos anteriores determinaram que os planetas têm aproximadamente o tamanho e a massa da Terra e, portanto, também devem ser rochosos, ou terrestre, ao contrário de dominado por gás, como Júpiter e Saturno. O novo artigo oferece as medições de densidade mais precisas já feitas para qualquer grupo de exoplanetas - planetas além do nosso sistema solar.
Reinado de Ferro
Quanto mais precisamente os cientistas conhecem a densidade de um planeta, mais limites eles podem colocar em sua composição. Considere que um peso de papel pode ter aproximadamente o mesmo tamanho de uma bola de beisebol, mas geralmente é muito mais pesado. Juntos, largura e peso revelam a densidade de cada objeto, e daí é possível inferir que a bola de beisebol é feita de algo mais leve (corda e couro) e o peso de papel é feito de algo mais pesado (geralmente vidro ou metal).
As densidades dos oito planetas em nosso próprio sistema solar variam amplamente. O inchado, gigantes dominados por gás - Júpiter, Saturno, Urano, e Netuno - são maiores, mas muito menos densos do que os quatro mundos terrestres porque são compostos principalmente de elementos mais leves como hidrogênio e hélio. Mesmo os quatro mundos terrestres mostram alguma variedade em suas densidades, que são determinados pela composição e compressão de um planeta devido à gravidade do próprio planeta. Ao subtrair o efeito da gravidade, os cientistas podem calcular o que é conhecido como densidade descompactada de um planeta e potencialmente aprender mais sobre a composição de um planeta.
Os sete planetas TRAPPIST-1 possuem densidades semelhantes - os valores diferem em não mais do que 3%. Isso torna o sistema bastante diferente do nosso. A diferença de densidade entre os planetas TRAPPIST-1 e a Terra e Vênus pode parecer pequena - cerca de 8% - mas é significativa em escala planetária. Por exemplo, uma maneira de explicar por que os planetas TRAPPIST-1 são menos densos é que eles têm uma composição semelhante à da Terra, mas com uma porcentagem menor de ferro - cerca de 21% em comparação com os 32% da Terra, de acordo com o estudo.
Alternativamente, o ferro nos planetas TRAPPIST-1 pode ser infundido com altos níveis de oxigênio, formando óxido de ferro, ou ferrugem. O oxigênio adicional diminuiria as densidades dos planetas. A superfície de Marte obtém sua tonalidade vermelha do óxido de ferro, mas como seus três irmãos terrestres, tem um núcleo composto de ferro não oxidado. Por contraste, se a densidade mais baixa dos planetas TRAPPIST-1 foi causada inteiramente por ferro oxidado, os planetas teriam que estar enferrujados e não poderiam ter núcleos de ferro sólidos.
Eric Agol, um astrofísico da Universidade de Washington e principal autor do novo estudo, disse que a resposta pode ser uma combinação dos dois cenários - menos ferro em geral e algum ferro oxidado.
A equipe também investigou se a superfície de cada planeta poderia ser coberta por água, que é ainda mais leve que a ferrugem e que mudaria a densidade geral do planeta. Se fosse esse o caso, a água teria que representar cerca de 5% da massa total dos quatro planetas externos. Por comparação, a água representa menos de um décimo de 1% da massa total da Terra.
Porque eles estão posicionados muito perto de sua estrela para que a água permaneça um líquido na maioria das circunstâncias, os três planetas internos TRAPPIST-1 exigiriam calor, atmosferas densas como Vênus, de forma que a água pudesse permanecer ligada ao planeta como vapor. Mas Agol diz que essa explicação parece menos provável porque seria uma coincidência para todos os sete planetas ter apenas água suficiente presente para ter densidades semelhantes.
"O céu noturno está cheio de planetas, e só nos últimos 30 anos conseguimos começar a desvendar seus mistérios, "disse Caroline Dorn, astrofísico da Universidade de Zurique e co-autor do artigo. "O sistema TRAPPIST-1 é fascinante porque em torno desta estrela podemos aprender sobre a diversidade dos planetas rochosos dentro de um único sistema. E podemos realmente aprender mais sobre um planeta estudando seus vizinhos também, portanto, este sistema é perfeito para isso. "
