Há décadas que os astrónomos têm dificuldade em distinguir os planetas gigantes das anãs castanhas, uma classe de objetos mais massivos do que os planetas, mas demasiado pequenos para dar início à fusão nuclear como verdadeiras estrelas.

Quando observados através de um telescópio, estes objetos cósmicos semelhantes podem apresentar brilho, temperaturas e até mesmo características atmosféricas que se sobrepõem. A impressionante semelhança deixa os astrónomos na incerteza de saber se observaram um planeta de grandes dimensões ou uma estrela de dimensões reduzidas.

Agora, uma equipa liderada pela Universidade Northwestern descobriu uma pista crucial que separa os dois: a velocidade a que giram.

Num novo estudo, os astrofísicos encontraram as evidências mais claras até à data de que os planetas gigantes giram significativamente mais depressa do que as suas contrapartes anãs castanhas. Os novos resultados sugerem que as medições de rotação podem fornecer um novo e poderoso diagnóstico para classificar estas populações indistinguíveis e indicam que estes dois tipos de objetos evoluem de forma diferente, talvez até se formando através de processos distintos.

O estudo foi publicado na passada quarta-feira (18 de março) na revista The Astronomical Journal. Trata-se do maior levantamento de medições de rotação de exoplanetas e anãs castanhas captadas diretamente até à data.

"A rotação é um registo fóssil de como um planeta se formou", afirmou Chih-Chun "Dino" Hsu, da Northwestern, que liderou o estudo. "Ao medir a velocidade a que estes mundos giram, podemos começar a reconstituir os processos físicos que os moldaram há dezenas a centenas de milhões de anos".

Especialista em exoplanetas e anãs castanhas, Hsu é investigador pós-doc no CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics) da Northwestern, onde é orientado pelo coautor do estudo, Jason Wang. Wang é professor assistente de física e astronomia na Faculdade de Artes e Ciências Weinberg da Northwestern e membro do CIERA.

Uma crise de identidade cósmica

Normalmente, os astrónomos conseguem distinguir planetas de estrelas com base numa combinação de brilho, temperaturas e informação espetral. Mas os planetas gigantes e as anãs castanhas, frequentemente chamadas de "estrelas falhadas", situam-se precisamente no meio difuso deste sistema de classificação. O tamanho e a massa dos maiores planetas sobrepõem-se ao tamanho e à massa das anãs castanhas mais pequenas. E como as anãs castanhas não possuem fusão nuclear sustentada, emitem um brilho fraco, tal como os planetas gigantes.

A equipa da Northwestern questionou-se se a rotação desses objetos poderia constituir um fator diferenciador. Aproveitando o acesso institucional da Northwestern ao Observatório W.M. Keck, em Maunakea, no Hawaii, os astrofísicos analisaram seis exoplanetas gigantes e 25 anãs castanhas.

"Só conseguimos realizar um levantamento espetroscópico desta magnitude porque a Northwestern é parceira do Observatório Keck", afirmou Wang. "Isso permitiu-nos aceder aos telescópios Keck durante muitas noites para tornar este levantamento uma realidade".

Com espetroscopia de alta resolução do KPIC (Keck Planet Imager and Characterizer Instrument), a equipa isolou a luz dos objetos fracos para medir detalhes minuciosos nas suas atmosferas. À medida que estes mundos distantes giram, as características nos seus espectros alargam-se, tal como o efeito Doppler no som. Ao analisar essas características alargadas, os cientistas podem determinar a rapidez com que um planeta está a girar.

"Com o KPIC, podemos detetar estes sinais minúsculos que revelam a rotação de um planeta em torno de outras estrelas próximas", afirmou Hsu.

Depois de medir as rotações dos exoplanetas e das anãs castanhas, a equipa combinou essas novas medições com medições de rotação de estudos anteriores. Isto permitiu à equipa construir uma amostra maior e selecionada de planetas, anãs castanhas e objetos relacionados para comparação.

Quando Hsu e os seus colaboradores compararam as velocidades de rotação em toda a amostra, surgiu um padrão claro. Os planetas gigantes tendem a girar a uma fração maior da sua velocidade máxima teórica - conhecida como a sua "velocidade de rutura", ou o ponto em que um objeto se desintegraria devido à força centrífuga. Em contrapartida, as anãs castanhas giram mais lentamente.

Uma nova perspetiva sobre a formação

Segundo os investigadores, esta diferença deve-se provavelmente às massas dos objetos e à forma como a sua massa se compara à das suas estrelas hospedeiras. Os astrónomos há muito que pensam que os planetas gigantes se formam dentro de discos de gás e poeira que rodeiam estrelas jovens. Durante a formação, as interações com o disco podem influenciar a quantidade de momento angular - ou quantidade de rotação - que o planeta retém.

As anãs castanhas, por outro lado, podem formar-se como as estrelas - através do colapso de nuvens de gás - ou como os planetas. As interações entre o forte campo magnético da anã castanha e o gás circundante atuam como um travão cósmico, fazendo com que o objeto perca momento angular.

Um exoplaneta e uma anã castanha no estudo de Hsu ilustram bem esta diferença. Um planeta gigante no sistema exoplanetário HR 8799 tem cerca de sete vezes a massa de Júpiter e gira a uma velocidade invulgarmente elevada. No entanto, uma anã castanha próxima tem aproximadamente três vezes mais massa do que o exoplaneta gigante, mas gira seis vezes mais devagar.

Embora ambos os objetos tenham perdido momento angular durante a sua formação, a rotação da anã castanha mais massiva perdeu significativamente mais momento, provavelmente devido ao seu campo magnético mais forte. O estudo também descobriu que as anãs castanhas em órbita de estrelas giram ainda mais lentamente do que as anãs castanhas isoladas, à deriva no espaço. Isto reflete possivelmente diferentes ambientes de formação.

"Os nossos resultados sugerem que tanto a massa do planeta como a relação entre a massa do planeta e a massa da sua estrela influenciam a velocidade a que o planeta acaba por girar", afirmou Hsu. "Isso ajuda-nos a restringir a física de como estes sistemas se formam".

A equipa de investigação planeia agora expandir os seus estudos, examinando as rotações de objetos com massa planetária que flutuam livremente - mundos errantes que vagueiam pelo espaço sem uma estrela hospedeira - e investigando a composição química das atmosferas planetárias em toda a população.

"Estamos apenas a começar a explorar o que a rotação planetária nos pode revelar", afirmou Hsu. "Com instrumentos futuros e telescópios de maior abertura, seremos capazes de medir a rotação de ainda mais mundos e estabelecer ligações entre a rotação, a química e a história da formação em sistemas planetários inteiros".

// Universidade Northwestern (comunicado de imprensa)
// Observatório W. M. Keck (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astronomical Journal)

Quer saber mais?

Exoplanetas:
Wikipedia
Lista de planetas (Wikipedia)
Lista de exoplanetas potencialmente habitáveis (Wikipedia)
Lista de exoplanetas mais próximos (Wikipedia)
Lista de extremos (Wikipedia)
Lista de exoplanetas candidatos a albergar água líquida (Wikipedia)
Open Exoplanet Catalogue
NASA
Exoplanet.eu

Anãs castanhas:
Wikipedia
Andy Lloyd’s Dark Star Theory

Observatório W. M. Keck:
Página principal
Wikipedia
KPIC (Caltech)