Astrônomos surpresos com a formação inesperada destes enormes exoplanetas

Essa sobreposição levanta uma grande questão na astronomia. Como exatamente esses planetas massivos se formam? Uma possibilidade é a acreção do núcleo, o mesmo processo que se acredita ter criado Júpiter e Saturno. Nesse cenário, um núcleo sólido vai se formando lentamente dentro de um disco de poeira e gelo, reunindo material rochoso e gelado até se tornar massivo o suficiente para atrair o gás ao seu redor. Outra possibilidade é a instabilidade gravitacional, onde uma nuvem giratória de gás em torno de uma estrela jovem colapsa rapidamente sob sua própria gravidade, formando um objeto grande mais parecido com uma anã marrom.

Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade da Califórnia em San Diego se propôs a investigar esse mistério usando dados do Telescópio Espacial James Webb (JWST). Ao estudar o sistema estelar HR 8799, eles descobriram evidências que oferecem uma resposta surpreendente. Seus achados foram publicados na Nature Astronomy.

O Sistema HR 8799 e Seus Super Júpiteres

HR 8799 está localizado a cerca de 133 anos-luz de distância na constelação de Pégaso. Ele abriga quatro planetas massivos, cada um com massa entre cinco e dez vezes a massa de Júpiter. Esses mundos orbitam a distâncias que variam de 15 a 70 unidades astronômicas, o que significa que até mesmo o planeta mais próximo está 15 vezes mais longe de sua estrela do que a Terra está do Sol. As massas dos planetas variam de 5 a 10 MJup, então, mesmo o menor deles pesa cinco vezes mais que Júpiter.

De várias maneiras, HR 8799 se assemelha a uma versão ampliada de nosso sistema solar, que também possui quatro planetas gigantes exteriores que vão de Júpiter a Netuno. No entanto, o tamanho imenso dos planetas de HR 8799 e suas órbitas amplas intrigaram os cientistas. Modelos anteriores baseados em nosso sistema solar sugeriram que planetas formados por acreção de núcleo não teriam tempo suficiente para crescer tão massivos antes que a jovem estrela dispersasse o disco de gás ao redor.

Espectroscopia do JWST Revela Pistas de Enxofre

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

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

“Com sua sensibilidade sem precedentes, o JWST está permitindo o estudo mais detalhado das atmosferas desses planetas, nos dando pistas sobre seus caminhos de formação. Com a detecção de enxofre, somos capazes de inferir que os planetas de HR 8799 provavelmente se formaram de maneira similar a Júpiter, apesar de serem de cinco a dez vezes mais massivos, o que era inesperado”, afirmou Jean-Baptiste Ruffio, cientista pesquisador da UC San Diego e primeiro coautor do artigo.

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

O espectrógrafo de alta resolução do JWST permite que os cientistas examinem a luz dos exoplanetas sem interferência de moléculas na atmosfera da Terra. Pela primeira vez, os astrônomos detectaram assinaturas detalhadas de várias moléculas raras nas atmosferas dos três gigantes gasosos internos do sistema que antes não haviam sido vistas.

Detectando Sulfeto de Hidrogênio em Mundos Distantes

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

“A qualidade dos dados do JWST é realmente revolucionária e as grade de modelos atmosféricos existentes eram simplesmente inadequadas. Para capturar totalmente o que os dados estavam nos dizendo, refinei iterativamente a química e a física nos modelos”, disse ele. “No final, detectamos várias moléculas nestes planetas – algumas pela primeira vez, incluindo sulfeto de hidrogênio.”

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

Repensando os Modelos de Formação Planetária

“Existem muitos modelos de formação planetária a serem considerados. Acho que isso mostra que os modelos antigos de acreção do núcleo estão desatualizados”, afirmou Quinn Konopacky, professor de Astronomia e Astrofísica da UC San Diego e coautor do artigo. “E dos modelos mais novos, estamos observando aqueles em que gigantes gasosos podem formar núcleos sólidos realmente longe de sua estrela.”

Até agora, HR 8799 continua sendo o único sistema diretamente imagense conhecido por conter 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, até que ponto um planeta pode ser grande?” afirmou Ruffio. “Um planeta pode ter 15, 20, 30 vezes a massa de Júpiter e ainda ter se formado como um planeta? Onde está a transição entre a formação de planetas e a formação de anãs marrons?”

Os pesquisadores continuam a explorar essas questões, estudando um sistema estelar de cada vez.

Lista parcial de autores: Jean-Baptiste Ruffio, Eve J. Lee e Quinn Konopacky (todas da 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 do Instituto de Tecnologia da Califórnia); e Yayaati Chachan (UC Santa Cruz). A lista completa de autores aparece no artigo.

Este trabalho foi apoiado, em parte, pela Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (80NSSC25K7300 e prêmio de bolsa FINESST 80NSSC23K1434). Quaisquer opiniões, descobertas e conclusões ou recomendações expressas neste trabalho são dos autores e não necessariamente refletem as opiniões da Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço.