Gigantes gasosos são planetas enormes que consistem principalmente de hidrogênio e hélio. Eles podem conter núcleos centrais densos, mas, ao contrário da Terra, não têm superfícies sólidas para se apoiarem. No nosso sistema solar, os exemplos clássicos são Júpiter e Saturno. Além da nossa área, os astrônomos identificaram muitos exoplanetas gigantes gasosos, alguns muito maiores que Júpiter. Os mais massivos destes mundos estão começando a se assemelhar a anãs marrons, objetos subestelares às vezes chamados de “estrelas fracassadas” porque não fundem hidrogênio.
Esta coincidência levanta uma questão importante na astronomia. Como exatamente esses planetas massivos se formam? Uma possibilidade é a acreção central, o mesmo processo que se acredita ter criado Júpiter e Saturno. Neste cenário, o núcleo sólido acumula-se lentamente dentro de um disco de poeira e gelo, reunindo material rochoso e gelado até se tornar suficientemente massivo para atrair o gás circundante. Outra possibilidade é a instabilidade gravitacional, onde 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 pesquisa liderada pela Universidade da Califórnia, em San Diego, decidiu investigar esse mistério usando dados do Telescópio Espacial James Webb (JWST). Ao estudar o sistema estelar HR 8799, encontraram evidências que sugerem uma resposta surpreendente. Seus resultados foram publicados em Astronomia da natureza.
O sistema HR 8799 e seus superjúpiteres
HR 8799 está a cerca de 133 anos-luz de distância, na constelação de Pégaso. Abriga quatro planetas massivos, cada um com cinco a dez vezes a massa de Júpiter. Esses mundos orbitam entre 15 e 70 UA, o que significa que 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 MJ, então mesmo o menor deles é cinco vezes maior que Júpiter.
De certa forma, HR 8799 se assemelha a uma versão ampliada do nosso sistema solar, que também possui quatro planetas gigantes externos que se estendem de Júpiter a Netuno. No entanto, o tamanho dos planetas de HR 8799 e as suas amplas órbitas confundiram os cientistas. Modelos anteriores baseados no nosso sistema solar sugeriam que os planetas de acreção não teriam tempo suficiente para crescerem tão massivos antes que a jovem estrela dissipasse o disco de gás circundante.
Espectroscopia JWST revela indícios de enxofre
Para aprofundar, os astrônomos usaram 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 nas atmosferas de exoplanetas. Com o tempo, os cientistas perceberam que as moléculas baseadas em carbono e oxigênio não são ideais para rastrear a formação de planetas porque as suas origens são difíceis de determinar.
Em vez disso, a equipe se concentrou em materiais mais estáveis, conhecidos como elementos refratários. Esses elementos, incluindo o enxofre, existem na forma sólida no disco protoplanetário, onde assumem a forma de um planeta. A detecção de enxofre na atmosfera de um gigante gasoso aponta fortemente para a formação através da acreção do núcleo.
“Graças à sua sensibilidade sem precedentes, o JWST permite o estudo mais detalhado das atmosferas destes planetas, dando-nos pistas sobre como se formaram. Graças à deteção de enxofre, podemos concluir que os planetas de HR 8799 provavelmente se formaram de forma semelhante a Júpiter, apesar de terem cinco a dez vezes mais massa, o que foi inesperado,” disse Jean-Baptiste Rufiot, investigador. na Universidade da Califórnia, San Diego e primeiro coautor 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 mais jovens ainda retêm o calor da sua formação, tornando-os mais brilhantes e mais fáceis de analisar com espectroscopia.
O espectrógrafo de alta resolução do JWST permite aos cientistas sondar a luz de exoplanetas sem interferência de moléculas na atmosfera da Terra. Pela primeira vez, os astrónomos descobriram assinaturas detalhadas de várias moléculas raras nas atmosferas dos três gigantes gasosos internos do sistema, que nunca tinham sido vistas antes.
Detecção de sulfeto de hidrogênio em mundos distantes
Não foi fácil obter esta informação. Os planetas são cerca de 10.000 vezes mais fracos do que as suas estrelas hospedeiras, e o JWST não foi originalmente otimizado para contrastes tão extremos. Ruffio desenvolveu novas técnicas de análise de dados para isolar os sinais fracos dos planetas. Jerry Xuan, colaborador do 51 Pegasi b na Universidade da Califórnia, em Los Angeles, construiu modelos sofisticados da atmosfera para comparar com os espectros do telescópio e determinar a presença de enxofre.
“A qualidade dos dados do JWST é verdadeiramente revolucionária e as redes de modelos atmosféricos existentes eram simplesmente inadequadas. Para capturar totalmente o que os dados nos dizem, refinei periodicamente a química e a física dos modelos”, disse ele. “No final, descobrimos várias moléculas nestes planetas – algumas delas pela primeira vez, incluindo sulfeto de hidrogênio”.
Evidências claras de enxofre foram encontradas num terceiro planeta, HR 8799 c, e os investigadores acreditam que provavelmente também está presente nos outros dois planetas interiores. A equipa também descobriu que estes planetas contêm maiores quantidades de elementos pesados, como carbono e oxigénio, em comparação com as suas estrelas, mais uma prova de que se formaram como planetas e não como anãs castanhas.
Repensando modelos de formação planetária
“Existem muitos modelos de formação planetária a considerar. Penso que isto mostra que os antigos modelos de acreção do núcleo estão desactualizados,” disse Quinn Kanapaki, professor de astronomia e astrofísica da UC San Diego, outro co-autor do artigo. “E dos novos modelos, estamos a olhar para aqueles em que os gigantes gasosos podem formar núcleos duros muito longe da sua estrela.”
Até à data, o HR 8799 continua a ser o único sistema fotografado diretamente que contém quatro enormes gigantes gasosos. No entanto, outros sistemas foram encontrados com um ou dois satélites ainda maiores, cuja origem permanece incerta.
“Acho que a questão é quão grande pode ser um planeta?” Rufio afirmou. “Pode um planeta ter 15, 20, 30 vezes a massa de Júpiter e ainda assim formar-se como um planeta? Onde ocorre a transição entre a formação de planetas e a formação de anãs marrons?”
Os investigadores continuam a investigar estas questões, estudando um sistema estelar de cada vez.
Lista parcial de autores: Jean-Baptiste Rufiot, Yves J. Lee e Quinn Kanapaki (todos UC San Diego); Jerry W. Xuan (Instituto de Tecnologia da Califórnia e UCLA); Dimitri Mouette, Aurora Kesselly, Charles Beichmann, Jeffrey Bryden e Thomas P. Green (todos: Cal Institute of Technology); e Yayati Chachan (UC Santa Cruz). Uma lista completa de autores pode ser encontrada no artigo.
Este trabalho foi apoiado em parte pela Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (80NSSC25K7300 e FINEST Fellowship Award 80NSSC23K1434). Quaisquer opiniões, descobertas e conclusões ou recomendações expressas neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e não refletem necessariamente os pontos de vista da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço.
