Encontrado o elo perdido dos planetas mais comuns da Galáxia

Uma das maiores surpresas recentes da astronomia é a descoberta de que a maior parte das estrelas como o Sol abrigam um planeta entre o tamanho da Terra e de Netuno dentro da órbita de Mercúrio, tamanhos e órbitas ausentes do nosso Sistema Solar.

© NINS (ilustração do sistema planetário V1298 Tau)

Estas "super-Terras" e "sub-Netunos" são os planetas mais comuns da Galáxia, mas a sua formação tem estado envolta em mistério. Agora, astrônomos encontraram um elo crucial em falta. Ao "pesar" quatro planetas recém-nascidos no sistema V1298 Tau, captaram uma rara visão de mundos no processo de se transformarem nos tipos de planetas mais comuns da Galáxia.

O estudo centrou-se em V1298 Tau, uma estrela com apenas cerca de 20 milhões de anos, um piscar de olhos no tempo cósmico em comparação com o nosso Sol com 4,5 bilhões de anos. Em órbita desta jovem e ativa estrela estão quatro planetas gigantes, todos com tamanhos entre Netuno e Júpiter, apanhados numa fase fugaz e turbulenta de rápida evolução. Este sistema parece ser um antepassado direto dos sistemas compactos e multiplanetários que se encontram por toda a Galáxia.

Tal como a Pedra de Roseta que ajudou na decifração dos hieróglifos egípcios, V1298 Tau ajuda-nos a descodificar como os planetas mais comuns da Galáxia surgiram. Durante uma década, a equipe utilizou um arsenal de telescópios terrestres e espaciais para medir com precisão o momento em que cada planeta passava em frente da estrela, um evento conhecido como trânsito. Ao cronometrar estes trânsitos, os astrônomos detectaram que as órbitas dos planetas não eram perfeitamente regulares. A sua configuração orbital e a gravidade fazem com que puxem uns pelos outros, acelerando ou abrandando ligeiramente a sua dança celeste.

Estas pequenas alterações de tempo, chamadas Variações de Tempo de Trânsito (VTTs), permitiram à equipe medir, pela primeira vez, a massa dos planetas de forma robusta. Ao usar as VTTs, é aplicada essencialmente a gravidade dos planetas uns contra os outros. O tempo exato em que eles puxam pelos seus vizinhos permitiu calcular as suas massas e evitar os obstáculos com esta jovem estrela.

Os planetas, apesar de terem 5 a 10 vezes o raio da Terra, têm massas de apenas 5 a 15 vezes a do nosso planeta. Isto torna-os incrivelmente pouco densos, mais parecidos com algodão doce do tamanho de um planeta do que com mundos rochosos. Os raios incomumente grandes dos planetas jovens levaram à hipótese de que têm densidades muito baixas e excepcionalmente "inchados". O seu inchaço ajuda a resolver um enigma de longa data na formação de planetas. Um planeta que simplesmente se forma e arrefece ao longo do tempo seria muito mais compacto. A análise da equipe revela que estes planetas devem ter sofrido uma transformação dramática no início das suas vidas, perdendo rapidamente grande parte das suas atmosferas iniciais e arrefecendo drasticamente quando o disco rico em gás ao redor da sua jovem estrela desapareceu.

Estes planetas já sofreram uma transformação dramática, perdendo rapidamente grande parte das suas atmosferas originais e arrefecendo mais depressa do que o esperado pelos modelos padrão. V1298 Tau é um elo crítico entre as nebulosas formadoras de estrelas e planetas que vemos por todo o céu e os sistemas planetários maduros que agora foram descobertos aos milhares. O sistema V1298 Tau serve agora como um laboratório crucial para compreender as origens dos planetas mais abundantes da Via Láctea, dando aos cientistas um vislumbre sem precedentes das vidas turbulentas e transformadoras de mundos jovens. Compreender sistemas como V1298 Tau pode também ajudar a explicar porque é que o nosso próprio Sistema Solar não tem as super-Terras e sub-Netunos que são tão abundantes em outras partes da Galáxia.

Um artigo foi publicado na revista Nature.

Fonte: National Astronomical Observatory of Japan

Planetas Urano e Netuno podem ser gigantes rochosos

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Zurique e do NCCR PlanetS (National Centre of Competence in Research PlanetS) está desafiando a nossa compreensão do interior dos planetas do Sistema Solar.

© Instituto Keck (ilustração do planeta Urano)

Nota-se na ilustração que Urano pode ser um gigante de gelo (à esquerda) ou um gigante de rocha (à direita), dependendo dos pressupostos do modelo.

A composição de Urano e Netuno, os dois planetas mais exteriores, pode ser mais rochosa e menos gelada do que se pensava. Os planetas do Sistema Solar são tipicamente divididos em três categorias com base na sua composição: os quatro planetas terrestres rochosos (Mercúrio, Vênus, Terra e Marte), seguidos pelos dois gigantes gasosos (Júpiter e Saturno) e, finalmente, pelos dois gigantes gelados (Urano e Netuno).

De acordo com o trabalho realizado pela equipe científica da Universidade de Zurique, Urano e Netuno poderão ser mais rochosos do que gelados. O novo estudo não afirma que os dois planetas azuis sejam de um tipo ou de outro, ricos em água ou em rocha, mas desafia a ideia de que ricos em gelo seja a única possibilidade. Esta interpretação é também consistente com a descoberta de que o planeta anão Plutão tem uma composição predominantemente rochosa.

A equipe desenvolveu um processo de simulação único para o interior de Urano e Netuno. A classificação de gigante de gelo está demasiado simplificada, uma vez que Urano e Netuno ainda são pouco conhecidos. Os modelos baseados na física eram demasiado fundamentados em pressupostos, enquanto os modelos empíricos são demasiado simplistas.

Foram combinadas ambas as abordagens para obter modelos interiores imparciais e fisicamente consistentes. Para tal, foi criado um perfil de densidade aleatório para o interior do planeta. Depois, foi calculado o campo gravitacional planetário que é consistente com os dados observacionais e inferido uma possível composição. Finalmente, o processo é repetido para obter a melhor correspondência possível entre os modelos e os dados observacionais.

Com o seu novo modelo agnóstico, mas totalmente físico, a equipe da Universidade de Zurique descobriu que a potencial composição interna dos "gigantes de gelo" do nosso Sistema Solar não se limita apenas ao gelo (tipicamente representado pela água). A nova gama de composições internas mostra que ambos os planetas podem ser ricos em água ou em rocha.

O estudo traz também novas perspectivas sobre os intrigantes campos magnéticos de Urano e Netuno. Ao passo que a Terra tem polos magnéticos norte e sul bem definidos, os campos magnéticos de Urano e Netuno são mais complexos, com mais de dois polos. Os modelos desenvolvidos pela equipe têm as chamadas camadas de "água iônica" que geram dínamos magnéticos em locais que explicam os campos magnéticos não-dipolares observados.

Foi descoberto tanbém que o campo magnético de Urano tem origem mais profunda do que o de Netuno. Embora os resultados sejam prometedores, subsistem algumas incertezas. Uma das principais questões é o fato de os físicos ainda não compreenderem como os materiais se comportam nas condições exóticas de pressão e temperatura que se encontram no coração de um planeta, o que pode ter impacto nos nossos resultados. Apesar das incertezas, os novos resultados também abrem caminho a novos cenários potenciais de composição interior, desafiam pressupostos de décadas e orientam a futura pesquisa em ciência dos materiais em condições planetárias.

Um artigo foi publicado no periódico Astronomy & Astrophysics.

Fonte: Universität Zürich

Theia e o planeta Terra eram vizinhos

Há cerca de 4,5 bilhões de anos teve lugar o acontecimento mais marcante da história do nosso planeta: um enorme corpo celeste chamado Theia colidiu com a jovem Terra.

© M. Garlick (colisão entre a Terra primitiva e Theia)

O modo como a colisão se desenrolou e o que aconteceu exatamente depois ainda não foi determinado de forma conclusiva. O que é certo, no entanto, é que o tamanho, a composição e a órbita da Terra mudaram como resultado, e que o impacto marcou o nascimento da nossa companheira constante no espaço, a Lua.

Que tipo de corpo foi este que alterou tão dramaticamente o curso do desenvolvimento do nosso planeta? Qual era a dimensão de Theia? De que é que era feito? E de que parte do Sistema Solar se precipitou em direção à Terra?

É difícil encontrar respostas para estas perguntas. Afinal de contas, Theia foi completamente destruído na colisão. No entanto, ainda hoje se podem encontrar vestígios dele, por exemplo, nas atuais composições da Terra e da Lua. Num estudo recente, pesquisadores do Instituto Max Planck para a Investigação do Sistema Solar e da Universidade de Chicago utilizam esta informação para deduzir a possível "lista de ingredientes" de Theia; e, consequentemente, o seu local de origem.

As proporções em que certos isótopos metálicos estão presentes num corpo são particularmente reveladoras. Os isótopos são variantes do mesmo elemento que diferem apenas no número de nêutrons no seu núcleo atômico; e, portanto, no seu peso. Mesmo na nuvem molecular a partir da qual o nosso Sol e o disco protoplanetário se formaram, os isótopos destes elementos não estavam aparentemente distribuídos de forma homogênea. Pelo contrário, até mesmo nesse momento, dependendo da distância ao centro, deve ter havido diferenças nas proporções dos isótopos. 

Assim, os corpos planetários que ainda estavam crescendo foram formados a partir de material de construção com diferentes composições isotópicas, dependendo se o material se aglomerava perto ou longe do Sol. A informação sobre a origem dos seus blocos de construção originais é assim armazenada na composição isotópica de um corpo planetário.

No estudo atual, os pesquisadores determinaram a proporção de diferentes isótopos de ferro nas rochas da Terra e da Lua com uma precisão sem precedentes. Para o efeito, examinaram 15 rochas terrestres e seis amostras lunares que os astronautas das missões Apollo trouxeram para a Terra. O resultado não é surpreendente: como as medições anteriores das taxas isotópicas do crômio, cálcio, titânio e zircônio já tinham demonstrado, a Terra e a Lua são indistinguíveis neste aspecto.

No entanto, a grande semelhança não permite quaisquer conclusões diretas sobre Theia. Há simplesmente demasiados cenários possíveis de colisão. Embora a maioria dos modelos assuma que a Lua se formou quase exclusivamente a partir de material de Theia, também é possível que seja constituída principalmente por material do manto terrestre primitivo ou que as rochas da Terra e de Theia se tenham misturado inseparavelmente. 

Para saber mais sobre Theia, os pesquisadores aplicaram uma espécie de engenharia reversa para planetas. Para tal, não utilizam modelos computacionais complexos que simulam vários cenários de impacto envolvendo Theia, mas concentram-se nas misturas de isótopos nas rochas terrestres e lunares. Com base nas taxas de isótopos correspondentes nas atuais rochas terrestres e lunares, a equipe analisou quais as composições e tamanhos de Theia e qual a composição da Terra primitiva que poderia ter levado a este estado final.

Nas suas investigações, os cientistas olharam não só para os isótopos de ferro, mas também para os de crômio, molibdênio e zircônio. Os diferentes elementos dão acesso a diferentes fases da formação planetária.

Mas como podemos saber que material já lá estava e qual foi trazido para o sistema Terra-Lua por Theia? Muito antes do encontro devastador com Theia, teve lugar, no interior da Terra primitiva, uma espécie de processo de seleção. Com a formação do núcleo de ferro, alguns elementos, como o ferro e o molibdênio, acumularam-se aí; depois disso, estavam praticamente ausentes do manto rochoso. O ferro que se encontra atualmente no manto terrestre só pode, portanto, ter "chegado" após a formação do núcleo; por exemplo, a bordo de Theia.

O metal omnipresente, a partir do qual os humanos fizeram ferramentas, navios e pontes, pode, portanto, ser atribuído principalmente a Theia. Outro elemento é o zircônio, que é muito resistente e quase não sofre alterações. Está no manto desde que a Terra existe e não se afundou no núcleo. O zircônio documenta, assim, não apenas uma janela de tempo, mas toda a história da formação do nosso planeta. 

Os pesquisadores usam estes diferentes suportes de informação para definir de que material e mistura de materiais Theia deve ter sido constituído e, finalmente, de que parte do disco de gás e poeira primitivo este material teve origem antes de formar Theia. De acordo com os resultados da investigação, as taxas isotópicas do material de Theia diferem significativamente dos da Terra. Por conseguinte, não são daqui e podem ainda atualmente ser identificados como tal na mistura de material da Terra. No entanto, os cálculos matemáticos revelam vários cenários e composições da Terra e de Theia antes da sua colisão.

Alguns destes cenários são implausíveis, pois são incompatíveis com o conhecimento sobre a formação planetária inicial que também foi obtido através da análise de meteoritos. Os meteoritos que podem ser analisados após o impacto com a Terra são tão antigos como o Sistema Solar. Permitem conhecer a época em que os planetas e outros corpos se formaram. Alguns meteoritos são originários da região interior do disco de formação dos planetas, enquanto outros são originários da região exterior. As taxas de isótopos do manto terrestre são os que mais se assemelham aos dos meteoritos do Sistema Solar interior. Os isótopos que a equipe atribui a Theia, neste estudo, têm proporções que eram anteriormente desconhecidas e não correspondem aos blocos de construção da Terra. Ao compará-los com classes de meteoritos, conclui-se que Theia deve ter tido origem na parte interior do Sistema Solar primitivo, mais perto do Sol do que a órbita atual da Terra.

Um artigo foi publicado na revista Science.

Fonte: Max Planck Institute for Solar System Research

Primeira detecção de "água pesada" num disco de formação planetária

A descoberta de água antiga num disco de formação planetária revela que alguma da água encontrada nos cometas, e talvez até na Terra, é mais antiga do que o disco da própria estrela, oferecendo uma visão inovadora da história da água no nosso Sistema Solar.

© NRAO (evolução de água pesada em nuvens moleculares gigantes)

Astrônomos, recorrendo ao ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), fizeram a primeira detecção de água duplamente deuterada (D₂O, ou "água pesada") num disco de formação planetária em torno de V883 Ori, uma estrela jovem. Isto significa que a água neste disco, e por extensão a água nos cometas que aqui se formam, é anterior ao nascimento da própria estrela, tendo viajado através do espaço a partir de antigas nuvens moleculares muito antes da formação deste sistema.

Isto representa um grande avanço na compreensão da viagem da água através da formação planetária, e como esta água chegou ao nosso Sistema Solar, e possivelmente à Terra, através de processos semelhantes. 

A impressão digital química do D₂O mostra que estas moléculas de água sobreviveram aos violentos processos de formação estelar e planetária, viajando bilhões de quilômetros através do espaço e do tempo antes de acabarem em sistemas planetários como o nosso. Em vez de ser destruída e reformada no disco, a maior parte desta água é herdada das primeiras e mais frias fases da formação estelar, uma herança cósmica que também pode estar presente na Terra atual.

Até agora, não era conhecido que a maior parte da água dos cometas e planetas se formou em discos jovens como o de V883 Ori, ou se é "pristina", proveniente de antigas nuvens interestelares. A detecção de água pesada, usando taxas sensíveis de isotopólogos (D₂O/H₂O), prova a herança antiga da água e fornece um elo perdido entre nuvens, discos, cometas e, em última análise, planetas.

Esta descoberta é a primeira evidência direta da viagem interestelar da água desde as nuvens até aos materiais que formam os sistemas planetários, inalterada e intacta. A água é fundamental para a vida e para a habitabilidade. Saber de onde vem a água dos planetas ajuda-nos a compreender os ingredientes para a vida no nosso Sistema Solar e em outros.

A descoberta sugere que muitos planetas jovens, e talvez mesmo exoplanetas, poderão herdar água bilhões de anos mais velha do que eles próprios, lembrando-nos como a nossa existência está profundamente interligada com o passado antigo do Universo.

Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

A influência dos planetas pode atenuar a atividade solar

O nosso Sol é cerca de cinco vezes menos magneticamente ativo do que outras estrelas semelhantes.

© Solar Dynamics Observatory (ejeção de massa coronal do Sol)

A razão para isso pode residir nos planetas do nosso Sistema Solar, afirmam pesquisadores do HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf). Nos últimos dez anos, desenvolveram um modelo que deriva praticamente todos os ciclos de atividade conhecidos do Sol a partir da influência cíclica das forças de maré dos planetas. Agora, também conseguiram demonstrar que essa sincronização externa reduz automaticamente a atividade solar.

De momento, o Sol está atingindo um nível máximo de atividade que só é observado a cada onze anos, aproximadamente. É por isso que nós, na Terra, observamos mais auroras polares e tempestades solares, bem como um clima espacial turbulento em geral. Isto tem impacto nos satélites espaciais e até mesmo na infraestrutura tecnológica da Terra. Apesar disso, em comparação com outras estrelas semelhantes ao Sol, as erupções de radiação mais fortes do nosso Sol são 10 a 100 vezes mais fracas.

Este ambiente relativamente tranquilo pode ser uma condição prévia importante para a Terra ser habitável. Não menos importante por esta razão, os físicos solares querem compreender o que impulsiona precisamente a atividade solar. Sabe-se que a atividade solar tem muitos padrões, flutuações periódicas mais curtas e mais longas, que variam de algumas centenas de dias a vários milhares de anos. Mas há maneiras muito diferentes de explicar os mecanismos físicos subjacentes.

O modelo desenvolvido pela equipa liderada por Frank Stefani, do Instituto de Dinâmica de Fluidos do HZDR, vê os planetas como marca-passos: segundo essa compreensão, aproximadamente a cada onze anos, Vênus, Terra e Júpiter concentram as suas forças de maré combinadas no Sol. Através de um mecanismo físico complexo, de cada vez que o fazem, dão um pequeno empurrão ao impulso magnético interno do Sol. Em combinação com o movimento orbital em forma de roseta do Sol, isto leva a flutuações periódicas sobrepostas de durações variáveis, exatamente como observado no Sol.

No trabalho recente, os pesquisadores dão o nome OQB (Oscilação Quasi-Bienal), uma flutuação aproximadamente bianual em vários aspetos da atividade solar. O ponto especial aqui é que, a OQB não só pode ser atribuída a um período preciso, mas também leva automaticamente a uma atividade solar atenuada. Até agora, os dados solares geralmente relatavam períodos de OQB de 1,5 a 1,8 anos.

Em trabalhos anteriores, alguns pesquisadores sugeriram uma ligação entre a OQB e os chamados eventos GLE (Ground Level Enhancement). São ocorrências esporádicas durante as quais partículas solares ricas em energia provocam um aumento repentino da radiação cósmica na superfície da Terra. Um estudo realizado em 2018 mostra que os eventos de radiação medidos perto do solo ocorreram mais na fase positiva de uma oscilação com um período de 1,73 anos. Ao contrário da suposição habitual de que essas erupções de partículas solares são fenômenos aleatórios, esta observação indica um processo cíclico fundamental. Foi descoberto a maior correlação para um período de 1,724 anos. 

Apesar do campo magnético do Sol oscilar entre o mínimo e o máximo ao longo de um período de onze anos, a OQB impõe um padrão adicional de curto prazo na intensidade do campo. Isto reduz a intensidade geral do campo, pois o campo magnético do Sol não mantém o seu valor máximo por tanto tempo. Um diagrama de frequência revela dois picos: um na intensidade máxima do campo e outro quando a OQB oscila de volta. Este efeito é conhecido como bimodalidade do campo magnético solar. No modelo, os dois picos fazem com que a intensidade média do campo magnético solar seja reduzida, uma consequência lógica da OQB.

Este efeito é muito importante porque o Sol é mais ativo durante as intensidades de campo mais altas. É quando ocorrem os eventos mais intensos, com enormes tempestades geomagnéticas, como o evento Carrington de 1859, quando auroras polares puderam ser vistas até em Roma e Havana, e altas tensões danificaram linhas telegráficas. Se o campo magnético do Sol permanecer em intensidades de campo mais baixas por um período significativamente mais longo, no entanto, isso reduz a probabilidade de eventos muito violentos.

Um artigo foi publicado no periódico Solar Physics.

Fonte: HZDR

Planetas gigantes que flutuam livremente formando sistemas planetários

Descoberto que os planetas gigantes que flutuam livremente têm o potencial de formar os seus próprios sistemas planetários em miniatura sem a necessidade de uma estrela.

© Microsoft Designer (planeta flutuando livremente pelo espaço)

Recorrendo a observações do telescópio espacial James Webb, os cientistas pesquisaram jovens objetos isolados com massas de 5 a 10 vezes a massa de Júpiter. Estes objetos são comparáveis a planetas gigantes relativo às suas propriedades, mas não orbitam uma estrela; em vez disso, flutuam livremente no espaço.

Estes objetos errantes de massa planetária são difíceis de observar, pois são muito tênues e irradiam sobretudo no infravermelho. E, no entanto, possuem a chave para questões importantes da astrofísica. A pesquisa atual sugere que estes são os objetos de menor massa formados como estrelas a partir do colapso de nuvens de gás gigantes. Ao contrário das estrelas, não acumulam massa suficiente para iniciar quaisquer reações de fusão nos seus núcleos. Em teoria, é também possível que alguns se formem de maneira comparável a planetas, em órbita de uma estrela, e mais tarde sejam expulsos dos seus berçários planetários.

Pesquisadores observaram 8 destes objetos, todos muito jovens, para saber mais sobre a sua infância. Utilizaram dois instrumentos a bordo do telescópio espacial James Webb, equipado com instrumentos infravermelhos extremamente sensíveis. Foram analisadas observações espectroscópicas detalhadas destes objetos, com uma cobertura espectral e sensibilidade sem precedentes, de agosto a outubro de 2024.

Este novo trabalho caracteriza estes objetos em profundidade e confirma que têm massas próximas da de Júpiter. Seis deles têm excesso de emissão infravermelha causada por poeira quente na sua vizinhança imediata. Este é o sinal característico de discos, estruturas achatadas que são os locais de nascimento dos planetas. As observações mostram também a emissão de grãos de silicato nos discos, com sinais claros de crescimento de poeira e cristalização, os primeiros passos típicos na formação de planetas rochosos. A emissão de silicatos já foi detectada anteriormente em estrelas e anãs marrons, mas esta é a primeira detecção em objetos de massa planetária.

Este trabalho baseia-se num artigo publicado anteriormente pela Universidade de St. Andrews que mostra que os discos em torno de objetos de massa planetária que flutuam livremente podem durar vários milhões de anos, tempo suficiente para formar planetas. 

Em conjunto, estes estudos mostram que objetos com massas comparáveis às dos planetas gigantes têm o potencial de formar os seus próprios sistemas planetários em miniatura. Esses sistemas poderiam ser como o Sistema Solar, apenas reduzidos por um fator de 100 ou mais em massa e tamanho. 

Estas descobertas mostram que os blocos de construção para a formação de planetas podem ser encontrados mesmo em torno de objetos que são pouco maiores do que Júpiter e que andam sozinhos à deriva no espaço. Isto significa que a formação de sistemas planetários não é exclusiva de estrelas, mas pode também funcionar em torno de mundos solitários sem estrelas.

Fonte: University of St Andrews