Os exoplanetas estão experimentando uma ascensão estratosférica. Nas três décadas desde o primeiro planeta confirmado orbitando outra estrela, os cientistas catalogaram mais de 4.000 deles. À medida que a lista cresce, também aumenta o desejo de encontrar exoplanetas semelhantes à Terra – e determinar se eles poderiam ser oásis de sustentação da vida como o nosso próprio globo.
As próximas décadas devem ver o lançamento de novas missões que podem coletar quantidades cada vez maiores de dados sobre exoplanetas. Antecipando esses esforços futuros, uma equipe da Universidade de Washington e da Universidade de Berna simulou computacionalmente mais de 200.000 mundos hipotéticos semelhantes à Terra - planetas que têm o mesmo tamanho, massa, composição atmosférica e geografia da Terra moderna - todos em órbita de estrelas como o nosso sol. Seu objetivo era modelar que tipos de ambientes os astrônomos podem esperar encontrar em exoplanetas reais semelhantes à Terra.

Como relatam em um artigo aceito no Planetary Science Journal e submeteu em 6 de dezembro ao site de pré-impressão arXiv, nesses exoplanetas simulados, uma característica comum da Terra atual muitas vezes faltava:cobertura parcial de gelo.

“Nós essencialmente simulamos o clima da Terra em mundos ao redor de diferentes tipos de estrelas, e descobrimos que em 90% dos casos com água líquida na superfície, não há camadas de gelo, como calotas polares”, disse o coautor Rory Barnes, pesquisador da UW. professor de astronomia e cientista do Laboratório Planetário Virtual da UW. "Quando o gelo está presente, vemos que os cinturões de gelo - gelo permanente ao longo do equador - são realmente mais prováveis ​​do que as calotas polares."

As descobertas lançam luz sobre a complexa interação entre água líquida e gelo em mundos semelhantes à Terra, de acordo com a principal autora Caitlyn Wilhelm, que liderou o estudo como estudante de graduação no Departamento de Astronomia da UW.

“Observar a cobertura de gelo em um planeta parecido com a Terra pode dizer muito sobre se ele é habitável”, disse Wilhelm, que agora é pesquisador do Laboratório Planetário Virtual. "Queríamos entender todos os parâmetros - a forma da órbita, a inclinação axial, o tipo de estrela - que afetam se você tem gelo na superfície e, em caso afirmativo, onde."

A equipe usou um modelo de balanço de energia 1-D, que imita computacionalmente o fluxo de energia entre o equador e os pólos de um planeta, para simular os climas em milhares de exoplanetas hipotéticos em várias configurações orbitais em torno de estrelas do tipo F, G ou K. Essas classes de estrelas, que incluem nosso próprio sol tipo G, são candidatas promissoras para hospedar mundos amigáveis ​​à vida em suas zonas habitáveis, também conhecidas como zona "Cachinhos Dourados". As estrelas do tipo F são um pouco mais quentes e maiores que o nosso sol; As estrelas do tipo K são ligeiramente mais frias e menores.

Em suas simulações, as órbitas dos exoplanetas variaram de circulares a ovais pronunciadas. A equipe também considerou inclinações axiais variando de 0 a 90 graus. A inclinação axial da Terra é de moderados 23,5 graus. Um planeta com uma inclinação de 90 graus "ficaria de lado" e experimentaria variações sazonais extremas no clima, bem como o planeta Urano.

De acordo com as simulações, que abrangeram um período de 1 milhão de anos em cada mundo, mundos semelhantes à Terra mostraram climas que variam de climas de "bola de neve" em todo o planeta - com gelo presente em todas as latitudes - a uma "estufa úmida" fumegante, que é provavelmente semelhante ao clima de Vênus antes de um efeito estufa descontrolado tornar sua superfície quente o suficiente para derreter chumbo. Mas mesmo que a maioria dos ambientes nas simulações estivesse em algum lugar entre esses extremos, o gelo superficial parcial estava presente em apenas cerca de 10% dos exoplanetas hipotéticos e habitáveis.

O modelo incluiu variações naturais ao longo do tempo na inclinação axial e órbita de cada mundo, o que em parte explica a falta geral de gelo em exoplanetas habitáveis, de acordo com o coautor Russell Deitrick, cientista de pós-doutorado na Universidade de Berna e pesquisador do Virtual Planetary. Laboratório.

"Órbitas e inclinações axiais estão sempre mudando", disse Deitrick. "Na Terra, essas variações são chamadas de ciclos de Milankovitch e são muito pequenas em amplitude. Mas para os exoplanetas, essas mudanças podem ser bastante grandes, o que pode eliminar completamente o gelo ou desencadear estados de 'bola de neve'."

Quando o gelo parcial estava presente, sua distribuição variou por estrela. Em torno de estrelas do tipo F, as calotas polares – como as que a Terra atualmente pratica – foram encontradas cerca de três vezes mais do que os cinturões de gelo, enquanto os cinturões de gelo ocorreram duas vezes mais do que as calotas de planetas em torno de estrelas do tipo G e K. Os cinturões de gelo também eram mais comuns em mundos com inclinações axiais extremas, provavelmente porque os extremos sazonais mantêm os climas polares mais voláteis do que as regiões equatoriais, de acordo com Wilhelm.

As descobertas da equipe sobre o gelo nesses mundos semelhantes à Terra simulados devem ajudar na busca de mundos potencialmente habitáveis, mostrando aos astrônomos o que eles podem esperar encontrar, especialmente em relação à distribuição do gelo e aos tipos de climas.

"O gelo da superfície é muito reflexivo e pode moldar a 'aparência' de um exoplaneta através de nossos instrumentos", disse Wilhelm. “A presença ou não de gelo também pode moldar como o clima mudará a longo prazo, seja para um extremo – como uma 'Terra bola de neve' ou uma estufa descontrolada – ou algo mais moderado”.

O gelo sozinho, ou sua ausência, não determina a habitabilidade, no entanto.

"A habitabilidade abrange muitas partes móveis, não apenas a presença ou ausência de gelo", disse Wilhelm.

A vida na Terra sobreviveu a períodos de bola de neve, bem como centenas de milhões de anos sem gelo, de acordo com Barnes.

"Our own planet has seen some of these extremes in its own history," said Barnes. "We hope this study lays the groundwork for upcoming missions to look for habitable signatures in exoplanet atmospheres—and to even image exoplanets directly—by showing what's possible, what's common and what's rare."