Uma ilustração artística de um planeta rebelde, sombrio e misterioso. Crédito:NASA Há uma população de planetas que vagueia pelo espaço livre de qualquer estrela. Eles são chamados de planetas rebeldes ou planetas flutuantes (FFPs). Alguns FFPs se formam como solitários, nunca tendo desfrutado da companhia de uma estrela. Mas a maioria é ejetada dos sistemas solares de alguma forma, e isso pode acontecer de diferentes maneiras.
Um pesquisador decidiu tentar compreender a população FFP e como ela surgiu.
Os FFPs também são chamados de objetos isolados de massa planetária (iPMOs) na literatura científica, mas independentemente do nome usado, eles são a mesma coisa. Esses planetas vagam sozinhos pelo espaço interestelar, divorciados de qualquer relação com estrelas ou outros planetas.
Os FFPs são misteriosos porque são extremamente difíceis de detectar. Mas os astrônomos estão cada vez melhores nisso e obtendo ferramentas melhores para a tarefa. Em 2021, os astrônomos fizeram um esforço determinado para detectá-los no Alto Escorpião e Ophiuchus e detectaram 70 deles, possivelmente muitos mais.
Em termos gerais, existem duas maneiras pelas quais os FFPs podem se formar. Eles podem se formar como a maioria dos planetas, em discos protoplanetários em torno de estrelas jovens. Esses planetas se formam pelo acúmulo de poeira e gás. Ou podem formar-se como as estrelas, colapsando numa nuvem de gás e poeira não relacionada com uma estrela.
Para planetas que se formam em torno de estrelas e eventualmente são expulsos, existem diferentes mecanismos de ejeção. Eles podem ser ejetados por interações com suas estrelas em um sistema estelar binário, podem ser ejetados por um sobrevoo estelar ou podem ser ejetados por espalhamento planeta-planeta.
Num esforço para compreender melhor a população de FFP, um pesquisador examinou os FFP ejetados. Ele simulou planetas rebeldes que resultam de interações planeta-planeta e aqueles que vêm de sistemas estelares binários, onde as interações com suas estrelas binárias os ejetam. Poderia haver uma maneira de diferenciá-los e entender melhor como esses objetos surgem?
Esta imagem mostra a localização de 115 potenciais planetas rebeldes, destacados com círculos vermelhos, recentemente descobertos em 2021 por uma equipa de astrónomos numa região do céu ocupada por Upper Scorpius e Ophiucus. O número exato de planetas rebeldes encontrados pela equipe está entre 70 e 170, dependendo da idade assumida para a região de estudo. Esta imagem foi criada assumindo uma idade intermédia, resultando num número de candidatos a planetas entre os dois extremos do estudo. Crédito:ESO/N. Risinger (skysurvey.org)
Um novo artigo intitulado “Sobre as propriedades dos planetas flutuantes originados em sistemas planetários circumbinários” abordou o problema. O autor é Gavin Coleman, do Departamento de Física e Astronomia da Queen Mary University of London. O artigo será publicado nos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society e está disponível no arXiv servidor de pré-impressão.
No seu artigo, Coleman salienta que os investigadores exploraram a forma como os FFPs se formam, mas há mais a fazer. “Numerosos trabalhos exploraram mecanismos para formar tais objetos, mas ainda não forneceram previsões sobre suas distribuições que pudessem diferenciar os mecanismos de formação”, escreve ele.
Coleman se concentra em estrelas ejetadas, em vez de estrelas que se formaram como rebeldes. Ele evita planetas rebeldes que resultam de interações com outros planetas porque a dispersão planeta-planeta não é tão significativa quanto outros tipos de ejeções. “É importante notar que a dispersão planeta-planeta em torno de estrelas individuais não pode explicar o grande número de FFPs observados nas observações”, explica Coleman.
Coleman destaca sistemas estelares binários e seus planetas circumbinários em seu trabalho. Pesquisas anteriores mostram que os planetas são naturalmente ejetados de sistemas circumbinários. Em sua pesquisa, Coleman simulou sistemas estelares binários e como os planetas ejetados desses sistemas se comportam. “Encontramos diferenças significativas entre os planetas ejetados através de interações planeta-planeta e aqueles pelas estrelas binárias”, escreve ele.
Coleman baseou suas simulações em um sistema estelar binário chamado TOI 1338. TOI 1338 tem um planeta circunbinário conhecido chamado BEBOP-1. Usar um sistema binário conhecido com um planeta circumbinário confirmado fornece uma base sólida para suas simulações. Também lhe permitiu comparar seus resultados com outras simulações baseadas no BEBOP-1.
A simulação variou vários parâmetros:a massa inicial do disco, a separação binária, a resistência do ambiente externo e o nível de turbulência no disco. Esses parâmetros governam fortemente os planetas que se formam. Outros parâmetros usaram apenas um único valor:a massa estelar combinada, razão de massa e excentricidade binária. A massa estelar combinada de TOI 1338 é de cerca de 1,3 massas solares, em linha com a média em sistemas binários de cerca de 1,5 massas solares.
Cada simulação durou 10 milhões de anos, tempo suficiente para o sistema solar tomar forma.
Esta figura do artigo mostra as massas dos planetas ejetados. A linha azul representa todos os planetas, a linha vermelha representa planetas com menos de 1 massa terrestre e a linha amarela representa planetas enormes com mais de 100 massas terrestres. Crédito:Coleman 2024.
Coleman descobriu que os sistemas circumbinários produzem FFPs de forma eficiente. Nas simulações, cada sistema binário ejeta uma média de dois a sete planetas com mais de 1 massa terrestre. Para planetas gigantes com mais de 100 massas terrestres, o número de planetas ejetados cai para 0,6 planetas ejetados por sistema.
As simulações também mostraram que a maioria dos planetas são ejetados de seus discos circumbinários entre 0,4 e 4 milhões de anos após o início da simulação. Nessa idade, o disco circunbinário não foi dissipado e explodido.
O resultado mais importante pode dizer respeito às dispersões de velocidade dos FFPs. "À medida que os planetas são ejetados dos sistemas, eles retêm velocidades excessivas significativas, entre 8 e 16 km/s. Isto é muito maior do que as dispersões de velocidade observadas de estrelas em regiões locais de formação estelar," explica Coleman. Portanto, isso significa que as dispersões de velocidade dos FFPs podem ser usadas para diferenciar os ejetados daqueles que se formaram como solitários.
As dispersões de velocidade fornecem outra janela para a população FFP. As simulações de Coleman mostram que a dispersão da velocidade dos FFPs ejetados através de interações com estrelas binárias é cerca de três vezes maior do que a dispersão dos planetas ejetados pela dispersão planeta-planeta.
Coleman também descobriu que o nível de turbulência no disco afeta a ejeção do planeta. Quanto mais fraca for a turbulência, mais planetas serão ejetados. A turbulência também afeta a massa dos planetas ejetados:a turbulência mais fraca ejeta planetas menos massivos, onde cerca de 96% dos planetas ejetados têm menos de 100 massas terrestres.
Em conjunto, as simulações fornecem uma forma de observar a população FFP e determinar as suas origens. “As diferenças nas distribuições das massas dos FFP, nas suas frequências e nas velocidades excessivas podem indicar se as estrelas individuais ou os sistemas circumbinários são o berço fundamental dos FFP”, escreve Coleman na sua conclusão.
Mas o autor também reconhece as desvantagens das suas simulações e esclarece o que os sims não nos contam.
Esta figura mostra o excesso de velocidade da população FPP ejetada nas simulações. A barra codificada por cores à direita mostra a quantidade de excesso de velocidade. O eixo x mostra a distância do pericentro porque “dá uma localização aproximada para a interação final que levou à ejeção do planeta”, segundo o autor. Crédito:Coleman 2024
"No entanto, embora este trabalho contenha numerosas simulações e explore um amplo espaço de parâmetros, ele não constitui uma população completa de sistemas circunbinários em formação", escreve Coleman em sua conclusão. De acordo com Coleman, com a tecnologia atual não é viável obter uma população completa desses sistemas.
“Se tal população for realizada em trabalhos futuros, então as comparações entre essa população e as populações observadas dariam uma visão ainda mais valiosa sobre a formação destes objetos intrigantes”, explica ele.
Ainda há muito que os astrônomos não sabem sobre sistemas binários e como eles formam e ejetam planetas. Por um lado, os modelos de formação planetária estão constantemente a ser revistos e actualizados com novas informações.
Também não temos uma ideia clara de quantos FFPs existem. Alguns pesquisadores acham que poderia haver trilhões deles. O próximo telescópio espacial Nancy Grace Roman usará lentes gravitacionais para fazer um censo de exoplanetas, incluindo uma amostra de FFPs com massas tão pequenas quanto a de Marte.
Em trabalhos futuros, Coleman pretende determinar se existem diferenças na composição química entre os FFPs. Isso restringiria os tipos de estrelas em torno das quais elas se formam e onde elas se formaram em seus discos protoplanetários. Isso exigiria estudos espectroscópicos de FFPs.
Mas, pelo menos por enquanto, Coleman desenvolveu uma forma cada vez melhor de compreender os FFPs. Usando estes dados, os astrónomos podem começar a discernir de onde vieram os FFPs individuais e a compreender melhor a população em geral.
