Normalmente, os planetas em sistemas planetários evoluídos, como o sistema solar, seguem órbitas estáveis ​​em torno da sua estrela central. No entanto, muitas indicações sugerem que alguns planetas podem afastar-se dos seus locais de nascimento durante a sua evolução inicial, migrando para dentro ou para fora.



Esta migração planetária também pode explicar uma observação que tem intrigado os investigadores há vários anos:o número relativamente baixo de exoplanetas com tamanhos cerca de duas vezes maiores que a Terra, conhecidos como vale ou lacuna do raio. Por outro lado, existem muitos exoplanetas menores e maiores que esse tamanho.

“Há seis anos, uma reanálise de dados do telescópio espacial Kepler revelou uma escassez de exoplanetas com tamanhos em torno de dois raios terrestres”, explica Remo Burn, investigador de exoplanetas no Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg. Ele é o autor principal do artigo que relata as descobertas descritas neste artigo, agora publicado na Nature Astronomy .

De onde vem o vale do raio?

"Na verdade, nós - como outros grupos de pesquisa - previmos com base em nossos cálculos, mesmo antes desta observação, que tal lacuna deveria existir", explica o coautor Christoph Mordasini, membro do Centro Nacional de Competência em Pesquisa (NCCR). PlanetaS. Ele dirige a Divisão de Pesquisa Espacial e Ciências Planetárias da Universidade de Berna. Esta previsão teve origem durante o seu mandato como cientista no MPIA, que há muitos anos investiga este campo em conjunto com a Universidade de Berna.

O mecanismo mais comumente sugerido para explicar o surgimento de tal vale de raio é que os planetas podem perder uma parte de sua atmosfera original devido à irradiação da estrela central, especialmente gases voláteis como hidrogênio e hélio. “No entanto, esta explicação negligencia a influência da migração planetária”, esclarece Burn.

Foi estabelecido há cerca de 40 anos que, sob certas condições, os planetas podem mover-se para dentro e para fora através dos sistemas planetários ao longo do tempo. Quão eficaz é esta migração e até que ponto ela influencia o desenvolvimento dos sistemas planetários impacta a sua contribuição para a formação do vale do raio.

Sub-Netunos enigmáticos

Dois tipos diferentes de exoplanetas habitam a faixa de tamanho ao redor da lacuna. Por um lado, existem planetas rochosos, que podem ser mais massivos que a Terra e por isso são chamados de super-Terras. Por outro lado, os astrónomos estão cada vez mais a descobrir os chamados sub-Neptunos (também mini-Neptunos) em sistemas planetários distantes, que são, em média, ligeiramente maiores que as super-Terras.

“No entanto, não temos esta classe de exoplanetas no sistema solar”, salienta Burn. “É por isso que, ainda hoje, não temos certeza sobre sua estrutura e composição”.

Ainda assim, os astrónomos concordam amplamente que estes planetas possuem atmosferas significativamente mais extensas do que os planetas rochosos. Consequentemente, a compreensão de como as características desses sub-Netunos contribuem para a lacuna do raio tem sido incerta. Poderia a lacuna sugerir que esses dois tipos de mundos se formam de maneira diferente?

Planetas gelados errantes

“Com base em simulações que já publicámos em 2020, os resultados mais recentes indicam e confirmam que, em vez disso, a evolução dos sub-Netunos após o seu nascimento contribui significativamente para o vale do raio observado”, conclui Julia Venturini, da Universidade de Genebra. Ela é membro da colaboração PlanetS e liderou o estudo de 2020.

Nas regiões geladas dos seus locais de nascimento, onde os planetas recebem pouca radiação de aquecimento da estrela, os sub-Netunos deveriam de fato ter tamanhos ausentes na distribuição observada. À medida que estes planetas presumivelmente gelados migram para mais perto da estrela, o gelo derrete, formando eventualmente uma espessa atmosfera de vapor de água.

Este processo resulta em uma mudança nos raios do planeta para valores maiores. Afinal, as observações empregadas para medir os raios planetários não conseguem diferenciar se o tamanho determinado se deve apenas à parte sólida do planeta ou a uma atmosfera densa adicional.

Ao mesmo tempo, como já sugerido na imagem anterior, os planetas rochosos “encolhem” ao perderem a sua atmosfera. No geral, ambos os mecanismos produzem uma falta de planetas com tamanhos em torno de dois raios terrestres.

Modelos físicos computacionais simulando sistemas planetários

“A investigação teórica do grupo Bern-Heidelberg já avançou significativamente a nossa compreensão da formação e composição dos sistemas planetários no passado”, explica o diretor do MPIA, Thomas Henning. “O presente estudo é, portanto, o resultado de muitos anos de trabalho preparatório conjunto e de constantes melhorias nos modelos físicos”.

Os resultados mais recentes resultam de cálculos de modelos físicos que traçam a formação planetária e a evolução subsequente. Abrangem processos nos discos de gás e poeira que rodeiam estrelas jovens e que dão origem a novos planetas. Esses modelos incluem o surgimento de atmosferas, a mistura de diferentes gases e a migração radial.

“O centro deste estudo foram as propriedades da água nas pressões e temperaturas que ocorrem dentro dos planetas e nas suas atmosferas”, explica Burn. Compreender como a água se comporta em uma ampla faixa de pressões e temperaturas é crucial para simulações. Este conhecimento tem sido de qualidade suficiente apenas nos últimos anos. É esta componente que permite cálculos realistas do comportamento dos sub-Netunos, explicando assim a manifestação de extensas atmosferas em regiões mais quentes.

“É notável como, como neste caso, as propriedades físicas em níveis moleculares influenciam processos astronômicos em grande escala, como a formação de atmosferas planetárias”, acrescenta Henning.

“Se expandirmos os nossos resultados para regiões mais frias, onde a água é líquida, isto poderia sugerir a existência de mundos aquáticos com oceanos profundos”, diz Mordasini. “Esses planetas poderiam potencialmente hospedar vida e seriam alvos relativamente simples para a busca de biomarcadores, graças ao seu tamanho”.

Trabalho adicional pela frente

No entanto, o trabalho atual é apenas um marco importante. Embora a distribuição de tamanho simulada corresponda muito à observada e a lacuna do raio esteja no lugar certo, os detalhes ainda apresentam algumas inconsistências. Por exemplo, muitos planetas gelados acabam muito perto da estrela central nos cálculos. No entanto, os investigadores não consideram esta circunstância uma desvantagem, mas esperam aprender mais sobre a migração planetária desta forma.

Observações com telescópios como o Telescópio Espacial James Webb (JWST) ou o Extremely Large Telescope (ELT) em construção também poderiam ajudar. Eles seriam capazes de determinar a composição dos planetas dependendo do seu tamanho, fornecendo assim um teste para as simulações aqui descritas.

Os cientistas do MPIA envolvidos neste estudo são Remo Burn e Thomas Henning.

Outros pesquisadores incluem Christoph Mordasini (Universidade de Berna, Suíça [Unibe]), Lokesh Mishra (Université de Genève, Suíça [Unige] e Unibe), Jonas Haldemann (Unibe), Julia Venturini (Unige) e Alexandre Emsenhuber (Ludwig Maximilian Universidade de Munique, Alemanha e Unibe).

O telescópio espacial Kepler da NASA procurou planetas em torno de outras estrelas entre 2009 e 2018 e descobriu milhares de novos exoplanetas durante a sua operação. Utilizou o método de trânsito:quando a órbita de um planeta é inclinada de forma que o plano fique dentro da linha de visão do telescópio, os planetas bloqueiam periodicamente parte da luz da estrela durante a sua órbita. Esta flutuação periódica no brilho da estrela permite uma detecção indireta do planeta e a determinação do seu raio.

Mais informações: Um vale radial entre mundos de vapor migrados e núcleos rochosos evaporados, Astronomia da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41550-023-02183-7
Informações do diário: Astronomia da Natureza

Fornecido por Sociedade Max Planck