Astrônomos chocados com a forma como esses exoplanetas gigantes se formaram

Esta sobreposição levanta uma questão importante na astronomia. Como exatamente esses planetas massivos se formam? Uma possibilidade é a acreção central, o mesmo processo que se acredita ter criado Júpiter e Saturno. Neste cenário, um núcleo sólido acumula-se lentamente dentro de um disco de poeira e gelo, reunindo material rochoso e gelado até se tornar suficientemente massivo para atrair o gás circundante. Outra possibilidade é a instabilidade gravitacional, onde uma nuvem rodopiante de gás em torno de uma estrela jovem colapsa rapidamente sob a sua própria gravidade, formando um grande objeto mais parecido com uma anã castanha.

Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade da Califórnia em San Diego decidiu investigar esse mistério usando dados do Telescópio Espacial James Webb (JWST). Ao estudar o sistema estelar HR 8799, descobriram evidências que oferecem uma resposta surpreendente. Suas descobertas foram publicadas em Astronomia da Natureza.

O sistema HR 8799 e seus super Júpiteres

HR 8799 fica a cerca de 133 anos-luz de distância, na constelação de Pégaso. Abriga quatro planetas massivos, cada um com cinco a dez vezes a massa de Júpiter. Estes mundos orbitam a distâncias que variam entre 15 e 70 unidades astronómicas, o que significa que mesmo o planeta mais próximo está 15 vezes mais longe da sua estrela do que a Terra está do Sol. As massas dos planetas variam de 5 a 10 MJup, então mesmo o menor deles supera Júpiter por um fator de cinco.

De certa forma, HR 8799 assemelha-se a uma versão ampliada do nosso sistema solar, que também apresenta quatro planetas gigantes exteriores que se estendem de Júpiter a Neptuno. No entanto, o tamanho dos planetas HR 8799 e as suas amplas órbitas confundiram os cientistas. Modelos anteriores baseados no nosso Sistema Solar sugeriam que os planetas formados através da acreção do núcleo não teriam tempo suficiente para crescerem tão massivos antes que a jovem estrela dispersasse o disco de gás circundante.

Espectroscopia JWST revela pistas de enxofre

Para aprofundar, os astrônomos usaram a espectroscopia, uma técnica que analisa a luz para revelar a composição química e as propriedades físicas de planetas distantes. Antes do JWST, os pesquisadores dependiam de telescópios terrestres para medir moléculas como água e monóxido de carbono em atmosferas de exoplanetas. Com o tempo, os cientistas perceberam que as moléculas baseadas em carbono e oxigênio não são ideais para rastrear como os planetas se formam porque suas origens são difíceis de identificar.

Em vez disso, a equipe se concentrou em materiais mais estáveis, conhecidos como elementos refratários. Esses elementos, incluindo o enxofre, existem na forma sólida dentro do disco protoplanetário onde os planetas tomam forma. A detecção de enxofre na atmosfera de um gigante gasoso aponta fortemente para a formação através da acreção do núcleo.

“Com a sua sensibilidade sem precedentes, o JWST está a permitir o estudo mais detalhado das atmosferas destes planetas, dando-nos pistas sobre os seus caminhos de formação. Com a deteção de enxofre, somos capazes de inferir que os planetas HR 8799 provavelmente se formaram de forma semelhante a Júpiter, apesar de serem cinco a dez vezes mais massivos, o que foi inesperado,” afirmou Jean-Baptiste Ruffio, cientista investigador da UC San Diego e primeiro co-autor do artigo.

HR 8799 é relativamente jovem, com cerca de 30 milhões de anos (para referência, o nosso sistema solar tem cerca de 4,6 mil milhões de anos). Os planetas mais jovens ainda retêm o calor da sua formação, tornando-os mais brilhantes e mais fáceis de analisar com espectroscopia.

O espectrógrafo de alta resolução do JWST permite aos cientistas examinar a luz do exoplaneta sem interferência de moléculas na atmosfera da Terra. Pela primeira vez, os astrónomos detectaram assinaturas detalhadas de várias moléculas raras nas atmosferas dos três gigantes gasosos internos do sistema, que anteriormente não tinham sido vistas.

Detecção de sulfeto de hidrogênio em mundos distantes

Extrair essas informações foi um desafio. Os planetas são cerca de 10.000 vezes mais fracos que a sua estrela hospedeira, e o JWST não foi originalmente otimizado para contrastes tão extremos. Ruffio desenvolveu novas técnicas de análise de dados para isolar os sinais fracos dos planetas. Jerry Xuan, 51 Pegasi b Fellow na UCLA, construiu sofisticados modelos atmosféricos para comparar com os espectros do telescópio e determinar se havia enxofre presente.

“A qualidade dos dados do JWST é verdadeiramente revolucionária e as grades de modelos atmosféricos existentes simplesmente não eram adequadas. Para capturar completamente o que os dados nos diziam, refinei iterativamente a química e a física dos modelos”, disse ele. “No final, detectámos várias moléculas nestes planetas – algumas pela primeira vez, incluindo sulfureto de hidrogénio.”

Sinais claros de enxofre foram encontrados no terceiro planeta, HR 8799 c, e os pesquisadores acreditam que provavelmente também exista nos outros dois planetas internos. A equipa também descobriu que estes planetas contêm maiores quantidades de elementos pesados, como carbono e oxigénio, em comparação com a sua estrela, evidência adicional de que se formaram como planetas e não como objetos semelhantes a anãs castanhas.

Repensando os modelos de formação planetária

“Existem muitos modelos de formação planetária a considerar. Penso que isto mostra que os modelos mais antigos de acreção do núcleo estão desatualizados,” afirmou Quinn Konopacky, professor de astronomia e astrofísica da UC San Diego, outro co-autor do artigo. “E dos modelos mais recentes, estamos a olhar para aqueles em que os gigantes gasosos podem formar núcleos sólidos muito longe da sua estrela.”

Até agora, o HR 8799 continua a ser o único sistema com imagem direta conhecido que contém quatro gigantes gasosos massivos. No entanto, outros sistemas foram encontrados com um ou dois companheiros ainda maiores, cujas origens permanecem incertas.

“Acho que a questão é: quão grande pode ser um planeta?” Ruffio afirmou. “Pode um planeta ter 15, 20, 30 vezes a massa de Júpiter e ainda assim ter se formado como um planeta? Onde está a transição entre a formação de planetas e a formação de anãs marrons?”

Os investigadores continuam a explorar estas questões, estudando um sistema estelar de cada vez.

Lista parcial de autores: Jean-Baptiste Ruffio, Eve J. Lee e Quinn Konopacky (todos UC San Diego); Jerry W. Xuan (Instituto de Tecnologia da Califórnia e UCLA); Dimitri Mawet, Aurora Kesseli, Charles Beichman, Geoffrey Bryden e Thomas P. Greene (todos Instituto de Tecnologia da Califórnia); e Yayaati Chachan (UC Santa Cruz). A lista completa dos autores aparece no artigo.

Este trabalho foi apoiado, em parte, pela Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (80NSSC25K7300 e prêmio FINESST Fellowship 80NSSC23K1434). Quaisquer opiniões, descobertas e conclusões ou recomendações expressas neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e não refletem necessariamente os pontos de vista da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço.