O exoplaneta recentemente estudado Kepler-51d está envolto numa camada de neblina invulgarmente densa que pode esconder tanto a sua composição como a forma como se formou. Usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA, uma equipe liderada por pesquisadores da Penn State examinou mais de perto este chamado planeta “super gordinho”, que já está desafiando as ideias padrão sobre como os planetas evoluem. O que eles encontraram tornou as coisas ainda mais misteriosas. A névoa que envolve o planeta parece ser a mais espessa já detectada no mundo, tornando muito difícil determinar a composição química da atmosfera ou rastrear a sua origem.
As descobertas foram publicadas em 16 de março Jornal astronômico.
Um sistema planetário como algodão doce
Kepler-51 é uma estrela localizada a cerca de 2.615 anos-luz de distância, na constelação de Cygnus. É o lar de quatro planetas conhecidos, pelo menos três dos quais pertencem a uma classe rara de mundos de densidade ultrabaixa conhecidos como superpuffs. Esses planetas são semelhantes em tamanho a Saturno, mas sua massa é apenas algumas vezes maior que a da 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 os torna densos como algodão doce,” disse Jessica Libby-Roberts, pós-doutoranda no Centro de Exoplanetas e Mundos Habitáveis na Pensilvânia durante o estudo e primeira autora do artigo. “Esses planetas superfofos e de densidade ultrabaixa são raros e desafiam a compreensão convencional de como os gigantes gasosos se formam. E se não fosse difícil o suficiente explicar como um deles foi formado, existem três deles neste sistema!”
Por que Kepler-51d desafia os modelos de formação planetária
Normalmente, os gigantes gasosos se formam com núcleos densos que geram forte gravidade, permitindo que sejam puxados e mantidos em espessas atmosferas de gás. Estes planetas desenvolvem-se normalmente longe das suas estrelas, onde as condições favorecem a acumulação de gás, semelhante a Júpiter e Saturno no nosso Sistema Solar.
Kepler-51d não segue esse padrão. Parece não ter um núcleo denso e orbita a uma distância da sua estrela comparável à posição de Vénus em relação ao Sol.
“Kepler-51 é uma estrela relativamente ativa e os seus ventos estelares deverão facilmente soprar gás para longe deste planeta, embora a extensão desta perda de massa ao longo da vida de Kepler-51d permaneça desconhecida,” disse Libby-Roberts, que é agora professora assistente de física e astronomia na Universidade de Tampa. “É possível que o planeta se tenha formado mais e se tenha movido para dentro, mas ainda temos muitas questões sobre como este planeta – e os outros planetas neste sistema – se formaram. O que neste sistema criou estes três planetas realmente estranhos, uma combinação de extremos que não vimos em nenhum outro lugar?”
O que a névoa espessa esconde
Como estes planetas têm densidade muito baixa, os cientistas suspeitam que sejam compostos maioritariamente por gases leves, como o hidrogénio e o hélio, juntamente com elementos adicionais. A identificação destes elementos pode revelar onde e como o planeta se formou.
Como o Kepler-51d está muito longe para obter imagens diretas, os pesquisadores contam com um método chamado observação de trânsito. Quando um planeta passa em frente da sua estrela, parte da luz estelar passa pela atmosfera do planeta, transportando informações sobre a sua composição.
“A luz da estrela é filtrada pela atmosfera do planeta antes de chegar aos nossos telescópios”, disse Libby-Roberts. “Se uma determinada molécula estiver presente na atmosfera e absorver um determinado comprimento de onda de luz – tal como a forma como diferentes objetos coloridos na Terra absorvem diferentes comprimentos de onda de luz – ela pode bloquear a luz nesse comprimento de onda. Se olharmos para uma gama de comprimentos de onda, através do espectro, obtemos uma espécie de impressão digital da atmosfera do planeta que mostra a sua composição.”
As observações do JWST são bloqueadas por forte neblina
Observações anteriores com o Telescópio Espacial Hubble da NASA capturaram luz infravermelha próxima de cerca de 1,1 a 1,7 mícrons. O espectrógrafo infravermelho próximo mais avançado do JWST estendeu essa faixa para 5 mícrons, o que deve fornecer uma assinatura atmosférica mais clara. Em vez disso, os pesquisadores não encontraram sinais claros.
“Pensamos que o planeta tem uma camada de neblina tão espessa que absorve os comprimentos de onda da luz que temos observado, por isso não conseguimos realmente ver as características por baixo,” disse Suvrat Mahadevan, professor de Astronomia e Astrofísica Verne M. Willaman no Eberly College of Science, na Pensilvânia, e autor do artigo. “Parece muito semelhante à nebulosa que vemos na maior lua de Saturno, Titã, que contém hidrocarbonetos como o metano, mas numa escala muito maior. Kepler-51d parece ter uma enorme quantidade de nebulosa – quase o 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. Quando inclinados num determinado ângulo, os anéis podem bloquear a luz das estrelas e fazer com que o planeta pareça maior e menos denso do que realmente é. No entanto, este cenário não corresponde integralmente aos dados observados.
“Em vez disso, vemos uma tendência linear onde mais luz é bloqueada em comprimentos de onda mais longos”, disse Libby-Roberts. “É incomum, e a explicação mais simples é uma névoa espessa. Os anéis têm que ser de curta duração, feitos de materiais muito específicos e posicionados no ângulo certo, o que parece improvável, mas não podemos descartar completamente essa possibilidade. Se pudéssemos observar o planeta em comprimentos de onda ainda mais longos, como com o instrumento JWST Mid-Infrared, poderíamos detectar os materiais que estariam no anel, ou ver todo o volume da camada de neblina.”
Olhando para o futuro em outros planetas superpuff
Outras observações podem ajudar a resolver o mistério. Os cientistas estão agora a analisar dados do JWST de outro planeta no mesmo sistema, Kepler-51b, para determinar se todos os planetas superfofos partilham a mesma atmosfera nebulosa ou se Kepler-51d é um outlier.
“Antes de os astrônomos encontrarem planetas fora do nosso sistema solar, pensávamos que tínhamos uma boa ideia de como os planetas se formam”, disse Libby-Roberts. “Mas começámos a encontrar exoplanetas que não se enquadram de todo no nosso sistema solar, e temos mundos alienígenas que realmente desafiam a nossa compreensão da formação planetária. Ainda não encontrámos um sistema solar como o nosso, e ser capaz de explicar como todos estes diferentes planetas se formaram ajuda-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 Renew Hu, professor associado de astronomia e astrofísica na Penn State, e Caleb Cañas do Goddard Space Flight Center da NASA, que recebeu seu doutorado em astronomia e astrofísica pela Penn State. A equipe também inclui Aaron Bella-Aroufe, Kazumasa Ono e Armen Takajian da Caltech; Zachary C. Bertha-Thompson e Catriona Murray, da Universidade do Colorado Boulder; Yayati Chachan, da Universidade da Califórnia, Santa Cruz; Yui Kawashima, da Universidade de Quioto; Kento Masuda, da Universidade de Osaka; Leslie Hebb nas faculdades Hobart e William Smith; Caroline Morley, da Universidade do Texas em Austin; Guangwei Fu e Kevin B. Stevenson, da Universidade Johns Hopkins; e Peter Gao, da Carnegie Institution for Science.
A NASA apoiou esta pesquisa por meio de uma bolsa do JWST, com apoio adicional do Centro de Exoplanetas e Mundos Habitáveis da Pensilvânia. O trabalho computacional foi realizado utilizando a infraestrutura cibernética avançada do Instituto de Computação e Ciência de Dados da Pensilvânia.
