Planeta surpreendentemente denso desafia teorias de formação planetária

Novas observações detalhadas com as instalações NOIRLab da NSF revelam um jovem exoplaneta em órbita de uma jovem estrela no enxame das Híades, que é invulgarmente denso para o seu tamanho e idade. Com 25 massas terrestres, e ligeiramente mais pequeno que Neptuno, a existência deste exoplaneta desafia as previsões das principais teorias de formação planetária.

Novas observações do exoplaneta, conhecido como K2-25b, feitas com o Telescópio WIYN de 0,9 metros no Observatório de Kitt Peak, um programa do NOIRLab da NSF, com o Telescópio Hobby-Eberly do Observatório McDonald e com outras instalações, levantam novas questões sobre as teorias atuais de formação planetária. O exoplaneta é excecionalmente denso para o seu tamanho e idade – levantando a questão de como consegue existir. Os detalhes dos achados serão publicados na revista The Astronomical Journal.

Ligeiramente mais pequeno que Neptuno, K2-25b orbita uma estrela anã M – o tipo estelar mais comum na Galáxia – em 3,5 dias. O sistema planetário é membro do enxame de estrelas das Híades, um enxame próximo de estrelas jovens na direção da constelação de Touro. O sistema tem aproximadamente 600 milhões de anos e está localizado a cerca de 150 anos-luz da Terra.

Os planetas com tamanhos entre a Terra e Neptuno são companheiros comuns de estrelas da Via Láctea, apesar do facto de que tais planetas não são encontrados no nosso Sistema Solar. Compreender como estes “sub-Neptunos” se formam e evoluem é uma questão quente no estudo exoplanetário.

Os astrónomos preveem que os planetas gigantes se formam primeiro montando um núcleo modesto de rocha-gelo com 5 a 10 vezes a massa da Terra e, em seguida, envolvem-se num enorme invólucro gasoso com centenas de vezes a massa da Terra. O resultado é um gigante gasoso como Júpiter. K2-25b quebra todas as regras desta imagem convencional: com uma massa equivalente a 25 Terras e modesto em tamanho, K2-25b é quase todo ele núcleo e muito pouco invólucro gasoso. Estas propriedades estranhas representam dois quebra-cabeças para os astrónomos. Primeiro, como é que K2-25b “montou” um núcleo tão grande, muitas vezes o limite de 5-10 massas terrestres previsto pela teoria? (a previsão teórica diz que assim que os planetas formem um núcleo com 5-10 vezes a massa da Terra, começam ao invés a acretar gás: muito pouco material rochoso é acrescentado depois disso) E em segundo lugar, com a alta massa do seu núcleo – e consequente forte atração gravitacional – como é que evitou acumular um invólucro gasoso significativo?

A equipa que estuda K2-25b achou o resultado surpreendente. “K2-25b é invulgar,” disse Gudmundur Stefansson, pós-doutorado da Universidade de Princeton, que liderou a equipa de investigação. De acordo com Stefansson, o exoplaneta é mais pequeno em tamanho do que Neptuno, mas 1,5 vezes mais massivo. “O planeta é denso para o seu tamanho e idade, em contraste com outros planetas jovens sub-Neptuno que orbitam perto da sua estrela hospedeira,” acrescentou Stefansson. “Normalmente, estes mundos apresentam baixas densidades – e alguns até têm atmosferas estendidas em evaporação. K2-25b, com estas medições em mão, parece ter um núcleo denso, rochoso ou rico em água, com um invólucro fino.”

Para explorar a natureza e origem de K2-25b, os astrónomos determinaram a sua massa e densidade. Embora o tamanho do exoplaneta tenha sido medido inicialmente com o satélite Kepler da NASA, a medição do tamanho foi refinada usando medições de alta precisão do Telescópio WIYN de 0,9 metros no Observatório Kitt Peak e com o telescópio de 3,5 metros do Observatório de Apache Point no estado norte-americano do Novo México. As observações feitas com estes dois telescópios aproveitaram uma técnica simples, mas eficaz, desenvolvida como parte da tese de doutoramento de Stefansson. A técnica usa um componente ótico inteligente chamado “Engineered Diffuser”, que pode ser facilmente comprado por aproximadamente 500 dólares. O componente espalha a luz da estrela para cobrir mais pixéis na câmara, permitindo que o brilho da estrela durante o trânsito do planeta seja medido com mais precisão e resultando numa medição mais sensível do tamanho do planeta em órbita, entre outros parâmetros.

“O difusor inovador permitiu-nos melhor definir a forma do trânsito e, assim, restringir ainda mais o tamanho, a densidade e a composição do planeta,” disse Jayadev Rajagopal, astrónomo do NOIRLab que também esteve envolvido no estudo.

Para o seu baixo custo, o difusor fornece um retorno científico descomunal. “Telescópios de menor abertura, quando equipados com equipamentos de última geração, mas baratos, podem ser plataformas para programas científicos de alto impacto,” explica Rajagopal. “Será necessária fotometria muito precisa para explorar estrelas hospedeiras e planetas em conjunto com missões espaciais e maiores aberturas no solo, e esta é uma ilustração do papel que um telescópio de tamanho modesto, 0,9 metros, pode desempenhar neste esforço.”

Graças às observações com os difusores disponíveis no Telescópio WIYN de 0,9 m e no Telescópio de 3,5 m do Observatório de Apache Point, os astrónomos agora são capazes de prever com maior precisão quando K2-25b transita pela sua estrela hospedeira. Enquanto antes os trânsitos só podiam ser previstos com uma precisão de 30 a 40 minutos, agora são conhecidos com uma precisão de 20 segundos. A melhoria é crítica para o planeamento de observações de acompanhamento com instalações como o Observatório Gemini e o Telescópio Espacial James Webb.

Muitos dos autores deste estudo também estão envolvidos noutro projeto de caça exoplanetária no Observatório Kitt Peak: o espectrómetro NEID no Telescópio WIYN de 3,5 metros. O NEID permite que os astrónomos meçam o movimento de estrelas próximas com extrema precisão – quase três vezes mais do que a geração anterior de instrumentos de última geração – permitindo a deteção, a determinação da massa e a caracterização de exoplanetas tão pequenos quanto a Terra.

// NOIRLab (comunicado de imprensa)
// Observatório McDonald (comunicado de imprensa)
// Universidade Estatal da Pensilvânia (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (arXiv.org)

Saiba mais:

Notícias relacionadas:
Universe Today
Astrobiology web
PHYSORG
ScienceDaily
ZAP.aeiou

K2-25b:
NASA
Exoplanet.eu
Open Exoplanet Catalogue

Exoplanetas:
Wikipedia
Lista de planetas (Wikipedia)
Lista de exoplanetas potencialmente habitáveis (Wikipedia)
Lista de extremos (Wikipedia)
Open Exoplanet Catalogue
PlanetQuest
Enciclopédia dos Planetas Extrasolares

Observatório Kitt Peak:
Página oficial
Wikipedia

Observatório McDonald:
Página oficial
Wikipedia

Observatório de Apache Point:
Página oficial
Wikipedia

Telescópio Espacial Kepler:
NASA (página oficial)
K2 (NASA)
Arquivo de dados do Kepler
Arquivo de dados da missão K2
Wikipedia