Um exoplaneta recentemente estudado, Kepler-51d, está envolto numa camada de neblina invulgarmente densa que pode esconder a sua composição e como se formou. Uma equipe liderada por pesquisadores da Penn State usou o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA para observar mais de perto o chamado planeta “superinflado”, que desafiou as ideias padrão de como os planetas se desenvolvem. O que eles descobriram torna as coisas ainda mais intrigantes. A neblina que rodeia o planeta parece ser a mais espessa alguma vez detectada no mundo, tornando extremamente difícil identificar a composição química da sua atmosfera ou traçar as suas origens.
As descobertas foram publicadas na edição de 16 de março da revista revista astronômica.
Sistema planetário semelhante a um marshmallow
Kepler-51 é uma estrela a cerca de 2.615 anos-luz de distância, na constelação de Cygnus. Abriga quatro planetas conhecidos, pelo menos três dos quais são mundos raros de densidade ultrabaixa, chamados superpuffs. Esses planetas são semelhantes em tamanho a Saturno, mas apenas algumas vezes mais massivos que a Terra. Dentre eles, o Kepler-51d se destaca por ser o mais frio e menos denso.
“Pensamos que os três planetas interiores que orbitam Kepler-51 têm núcleos minúsculos e atmosferas enormes, o que lhes confere densidades semelhantes às dos marshmallows,” disse Jessica Libby-Roberts, investigadora de pós-doutoramento no Centro de Exoplanetas e Mundos Habitáveis da Penn State e principal autora do artigo. “Estes planetas superinflados e de densidade ultrabaixa são tão raros que desafiam a compreensão convencional de como os gigantes gasosos se formam. Se explicar como um planeta se formou não fosse suficientemente difícil, este sistema tem três!”
Por que Kepler-51d desafia os modelos de formação planetária
Normalmente, os planetas gigantes gasosos têm núcleos densos que geram forte atração gravitacional, permitindo-lhes atrair e manter atmosferas gasosas espessas. Esses planetas geralmente estão distantes de suas estrelas, onde as condições são favoráveis para o acúmulo de gás, como Júpiter e Saturno em nosso sistema solar.
Kepler-51d não segue esse padrão. Parece não ter um núcleo denso e orbita a uma distância da sua estrela equivalente à posição de Vénus em relação ao Sol.
“Kepler-51 é uma estrela relativamente ativa e o seu vento estelar deverá facilmente soprar o gás do planeta, embora a extensão da perda de massa de Kepler-51d durante a sua vida permaneça desconhecida,” disse Libby Roberts, atualmente professora assistente de física e astronomia na Universidade de Tampa. “É possível que este planeta se tenha formado mais longe e se tenha movido para dentro, mas ainda temos muitas questões sobre como este planeta e os outros planetas deste sistema se formaram. O que houve neste sistema que criou estes três planetas muito estranhos, uma combinação extrema que não vimos em mais lado nenhum?”
O que está escondido na névoa espessa?
Como estes planetas têm densidades tão baixas, os cientistas suspeitam que sejam compostos principalmente de gases leves como o hidrogénio e o hélio, entre outros elementos. A identificação desses elementos pode revelar onde e como os planetas se formaram.
Como o Kepler-51d está muito longe para obter imagens diretas, os pesquisadores confiaram em um método chamado observações de trânsito. À medida que um planeta passa em frente da sua estrela, alguma luz estelar passa pela atmosfera do planeta, transportando informações sobre a sua composição.
“A luz da estrela viaja através da atmosfera do planeta antes de chegar aos nossos telescópios”, disse Libby-Roberts. “Se existem certas moléculas na atmosfera que absorvem um comprimento de onda específico de luz – tal como diferentes objetos coloridos na Terra absorvem diferentes comprimentos de onda de luz – isso pode bloquear a luz nesse comprimento de onda. Se olharmos para uma gama de comprimentos de onda, todo o espectro, obtemos uma espécie de impressão digital da atmosfera da Terra que revela uma composição da sua atmosfera.”
Observações do JWST bloqueadas por neblina extrema
As primeiras observações do Telescópio Espacial Hubble da NASA capturaram luz infravermelha próxima em cerca de 1,1 a 1,7 mícrons. O espectrômetro infravermelho próximo mais avançado do JWST estende o alcance para 5 mícrons, o que deve fornecer assinaturas atmosféricas mais claras. Em vez disso, os pesquisadores não encontraram nenhum sinal claro.
“Pensamos que o planeta tem uma espessa camada de neblina que absorve os comprimentos de onda da luz que observamos, por isso não podemos realmente ver as características por baixo,” disse Suvrath Mahadevan, professor de astronomia e astrofísica no Eberly College of Science da Penn State e um dos autores do artigo. “É muito semelhante à névoa que vemos na maior lua de Saturno, Titã, que contém hidrocarbonetos como o metano, mas numa escala muito maior. Kepler 51d parece ter uma névoa enorme – quase do raio da Terra – que seria uma das maiores que já vimos num planeta.”
Os anéis podem explicar as observações?
A equipe também explorou outras explicações, incluindo a possibilidade de o planeta ter anéis. Se inclinados num certo ângulo, os anéis podem bloquear a luz das estrelas, fazendo com que o planeta pareça maior e menos denso do que realmente é. No entanto, este cenário não é totalmente consistente com os dados observados.
“Em vez disso, vemos uma tendência linear, com mais luz bloqueada em comprimentos de onda mais longos”, disse Libby-Roberts. “Isso é incomum, e a explicação mais simples é uma névoa espessa. Os anéis devem ser efêmeros, feitos de materiais muito específicos e estar no ângulo certo, o que parece improvável, mas não podemos descartar completamente essa possibilidade. Se pudéssemos observar o planeta em comprimentos de onda mais longos, como com o instrumento de infravermelho médio do JWST, poderíamos ser capazes de detectar o material nos anéis ou ver toda a extensão da camada de neblina.”
Olhando para outros planetas superexpandidos
Outras observações podem ajudar a resolver este mistério. Os cientistas estão agora analisando dados do JWST de outro planeta no mesmo sistema, Kepler-51b, para determinar se todos os planetas superinflados têm atmosferas nebulosas semelhantes, ou se Kepler-51d é uma exceção.
“Antes de os astrónomos descobrirem planetas fora do nosso sistema solar, pensávamos que tínhamos uma boa noção de como os planetas se formam,” disse Libby-Roberts. “Mas estamos a começar a encontrar exoplanetas que não correspondem em nada ao nosso sistema solar, e estes mundos alienígenas desafiam realmente a nossa compreensão da formação dos planetas. Ainda não encontrámos um sistema solar como o nosso, e sermos capazes de explicar como todos estes planetas diferentes se formaram pode ajudar-nos a compreender como nos enquadramos no panorama geral e no nosso lugar no universo.”
Equipe de pesquisa e suporte
Além de Libby-Roberts e Mahadevan, a equipe de pesquisa inclui Renyu Hu, professor associado de astronomia e astrofísica na Penn State, e Caleb Kanias do Goddard Space Flight Center da NASA, que obteve seu doutorado em astronomia e astrofísica pela Penn State. A equipe também inclui Aaron Bello-Arufe, Kazumasa Ohno e Armen Tokadjian, Caltech; Zachory K. Berta-Thompson e Catriona Murray, Universidade do Colorado Boulder; Yayaati Chachan, Universidade da Califórnia, Santa Cruz; Universidade Yui Kyoto, Ilha de Austin; Morley); Guangwei Fu e Kevin B. Stevenson, Universidade Johns Hopkins; e Peter Gao, Carnegie Institution for Science.
A NASA apoiou esta pesquisa através de uma bolsa do JWST, com apoio adicional do Centro de Exoplanetas e Mundos Habitáveis da Penn State University. O trabalho computacional foi realizado usando a infraestrutura de rede avançada do Instituto de Ciências Computacionais e de Dados da Penn State.
