Gigantes gasosos são planetas gigantes compostos principalmente de hidrogênio e hélio. Eles podem conter um núcleo central denso, mas, ao contrário da Terra, não têm uma superfície sólida para se apoiarem. Em nosso sistema solar, Júpiter e Saturno são excelentes exemplos. Na nossa vizinhança, os astrónomos descobriram muitos planetas gigantes gasosos, alguns muito maiores que Júpiter. Os mais massivos desses mundos começam a se assemelhar a anãs marrons, objetos subestelares às vezes chamados de “estrelas fracassadas” porque não fundem hidrogênio.
Esta sobreposição levanta uma questão importante na astronomia. Como esses planetas massivos se formaram? Uma possibilidade é a acreção central, o processo que se acredita ter criado Júpiter e Saturno. Neste caso, um núcleo sólido forma-se lentamente dentro de um disco de poeira e gelo, reunindo rocha e material de gelo até se tornar massivo o suficiente para sugar o gás circundante. Outra possibilidade é a instabilidade gravitacional, na qual 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 pesquisadores liderada pela UC San Diego decidiu investigar esse mistério usando dados do Telescópio Espacial James Webb (JWST). Ao estudar o sistema estelar HR 8799, encontraram evidências que fornecem uma resposta surpreendente. Suas descobertas foram publicadas em astronomia natural.
Sistema HR 8799 e seu super Júpiter
HR 8799 está localizado a cerca de 133 anos-luz de distância, na constelação de Pégaso. Abriga quatro planetas massivos, cada um cinco a dez vezes mais massivo que Júpiter. Os planetas orbitam a uma distância de 15 a 70 UA, 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 planetárias variam de 5 a 10 MJup, então mesmo os planetas menores são cinco vezes mais massivos que Júpiter.
De certa forma, HR 8799 assemelha-se a uma versão maior do nosso sistema solar, que também inclui os quatro planetas gigantes exteriores que se estendem de Júpiter a Neptuno. No entanto, o enorme tamanho do planeta HR 8799 e a sua ampla órbita têm intrigado os cientistas. Os primeiros modelos baseados no Sistema Solar sugeriam que os planetas formados através da acreção do núcleo não tinham tempo suficiente para se tornarem tão massivos antes que a jovem estrela expelisse o disco de gás circundante.
Os espectros do JWST revelam pistas sobre o enxofre
Para ir mais fundo, os astrônomos usam 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 à base de carbono e oxigénio não eram adequadas para rastrear a formação de planetas porque as suas origens eram difíceis de determinar.
Em vez disso, a equipe se concentrou em materiais mais estáveis, conhecidos como elementos refratários. Esses elementos, incluindo o enxofre, estavam presentes na forma sólida nos discos protoplanetários a partir dos quais os planetas se formaram. A detecção de enxofre nas atmosferas de planetas gigantes gasosos sugere fortemente que o enxofre é formado através da acreção do núcleo.
“Com a sua sensibilidade sem precedentes, o JWST é capaz de estudar as atmosferas destes planetas com o máximo detalhe, dando-nos pistas sobre como se formaram. Ao detectar enxofre, fomos capazes de inferir que o planeta HR 8799 pode ter-se formado de forma semelhante a Júpiter, apesar de ser cinco a 10 vezes mais massivo, o que foi inesperado,” disse 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 jovens ainda retêm o calor da sua formação, tornando-os mais brilhantes e mais fáceis de analisar espectroscopicamente.
O espectrógrafo de alta resolução do Telescópio Espacial James Webb permite aos cientistas examinar a luz do exoplaneta sem interferência de moléculas na atmosfera da Terra. Pela primeira vez, os astrónomos detectaram assinaturas detalhadas nunca antes vistas de várias moléculas raras nas atmosferas dos três gigantes gasosos internos do sistema.
Detectando sulfeto de hidrogênio em mundos distantes
Extrair essas informações é um desafio. Os planetas são cerca de 10.000 vezes mais escuros do que as suas estrelas hospedeiras, e o JWST não foi originalmente otimizado para contrastes tão extremos. Rufio desenvolveu novas técnicas de análise de dados para isolar os sinais fracos do planeta. O pesquisador do UCLA 51 Pegasi b, Jerry Xu, construiu modelos atmosféricos complexos 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 dos modelos atmosféricos existentes são simplesmente inadequadas. Para capturar completamente o que os dados nos dizem, melhorei iterativamente a química e a física do modelo”, disse ele. “Finalmente, detectámos várias moléculas nestes planetas – algumas pela primeira vez, incluindo sulfureto de hidrogénio.”
Sinais significativos de enxofre foram encontrados no terceiro planeta, HR 8799 c, e os pesquisadores acreditam que o enxofre também pode estar presente 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 estrelas, o que é uma evidência adicional de que se formaram como planetas, em vez de objetos semelhantes a anãs castanhas.
Repensando os modelos de formação planetária
“Existem muitos modelos de formação planetária a considerar”, disse Quinn Konopacky, outro co-autor do artigo e professor de astronomia e astrofísica na UC San Diego. “Acho que isso mostra que o antigo modelo de acréscimo central está desatualizado.” “Nos modelos mais recentes, estamos a olhar para modelos onde gigantes gasosos podem formar núcleos sólidos longe da estrela.”
Até à data, HR 8799 continua a ser o único sistema de imagem direta conhecido por conter quatro planetas gigantes gasosos massivos. No entanto, descobriu-se que outros sistemas têm um ou dois companheiros maiores, cujas origens permanecem incertas.
“Acho que a questão é: quão grande pode ser um planeta?” disse Rufio. “Pode um planeta ter 15, 20, 30 vezes mais massa que Júpiter e ainda assim formar-se 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, 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. Xu (Caltech e UCLA); Dimitri Mawet, Aurora Kesseli, Charles Beichman, Geoffrey Bryden e Thomas P. Greene (todos Caltech); e Yayaati Chachan (UC Santa Cruz). Uma lista completa dos autores aparece no artigo.
Este trabalho foi parcialmente apoiado pela NASA (80NSSC25K7300 e bolsa FINEST 80NSSC23K1434). Quaisquer opiniões, descobertas, conclusões ou recomendações aqui expressas são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente os pontos de vista da NASA.
