Um exoplaneta recentemente estudado, Kepler-51d, está envolto numa camada de nevoeiro invulgarmente espessa que pode esconder a sua composição e 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-puff”, que já desafia as ideias padrão de como os planetas se desenvolvem. O que eles descobriram tornou as coisas ainda mais confusas. A névoa que rodeia o planeta parece ser a mais espessa alguma vez detectada na Terra, tornando extremamente difícil detectar a composição química da sua atmosfera ou identificar a sua origem.
Os resultados foram divulgados em 16 de março Jornal Astronômico.
Sistema planetário como um algodão doce
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 pertencem a uma classe rara de mundos de densidade ultrabaixa conhecidos como super-puffs. Esses planetas têm aproximadamente o tamanho de Saturno, mas apenas algumas vezes a massa 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 massivas que lhes conferem uma densidade semelhante à do algodão doce,” disse Jessica Libby-Roberts, pós-doutoranda do Centro de Exoplanetas e Mundos Habitáveis na Penn State durante o estudo e primeira autora do artigo. “Estes planetas super-sopros de densidade ultrabaixa são raros e desafiam a sabedoria convencional sobre como os gigantes gasosos se formam. E se explicar como um se formou não fosse suficientemente difícil, existem três 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, o que lhes permite atrair e reter uma densa atmosfera de gás. Estes planetas normalmente evoluem longe das suas estrelas, onde as condições favorecem a acumulação de gás, semelhante a Júpiter e Saturno no nosso próprio sistema solar.
Kepler-51d não segue esse padrão. Parece não ter um centro 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 o seu vento estelar poderia facilmente soprar gás para fora do planeta, embora a extensão desta perda de massa ao longo da vida de Kepler-51d permaneça desconhecida,” disse Libby-Roberts, atualmente professora assistente de física e astronomia na Universidade de Tampa. “É possível que o planeta se tenha formado mais longe e se tenha deslocado para dentro, mas ainda temos muitas questões sobre como este planeta – e os outros planetas neste sistema – se formaram. Será que este sistema produziu estes três planetas realmente estranhos, uma combinação de extremos que não vimos em mais lado nenhum?”
Que névoa espessa está escondendo
Como a densidade destes planetas é tão baixa, os cientistas suspeitam que sejam feitos de gases leves, como o hidrogénio e o hélio, com elementos adicionais. A detecção destes elementos pode revelar onde e como o planeta se formou.
Como o Kepler-51d está muito longe para ser fotografado diretamente, os pesquisadores contam com um método chamado observações de trânsito. Quando o planeta passa em frente da sua estrela, parte da luz estelar passa pela atmosfera do planeta, transportando informações sobre a sua composição.
“A luz de uma estrela é filtrada através da atmosfera de um planeta antes de chegar ao nosso telescópio”, disse Libby-Roberts. “Se uma determinada molécula estiver presente na atmosfera e absorver luz de um determinado comprimento de onda – tal como a forma como diferentes objetos coloridos na Terra absorvem luz de diferentes comprimentos de onda – ela pode bloquear a luz nesse comprimento de onda. Se olharmos através de uma gama de comprimentos de onda, através de um espectro, obtemos uma espécie de impressão digital da reconstrução da atmosfera do planeta.”
Observações do JWST bloqueadas por neblina extrema
Observações anteriores com o Telescópio Espacial Hubble da NASA capturaram luz infravermelha próxima entre cerca de 1,1 e 1,7 mícrons. O espectrógrafo infravermelho próximo mais avançado do JWST estendeu essa faixa para 5 mícrons, o que deveria ter fornecido uma assinatura atmosférica mais clara. Em vez disso, os pesquisadores não encontraram nenhum sinal distinto.
“Pensamos que o planeta tem uma espessa camada de neblina que absorve comprimentos de onda de luz, por isso não podemos realmente ver as características por baixo,” disse Subrata Mahadevan, professor de astronomia e astrofísica na Penn State Eberly College of Science e autor do artigo. “Esta poluição atmosférica que vemos em Titã, a maior lua de Saturno, contém hidrocarbonetos semelhantes ao metano, mas numa escala muito maior. Kepler-51d parece ter uma grande quantidade de poluição atmosférica – aproximadamente do raio da Terra – que seria uma das maiores que já vimos num planeta.”
Ring poderia explicar a observação?
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 totalmente aos dados observados.
“Em vez disso, vemos uma tendência linear, com mais luz bloqueada em comprimentos de onda mais longos”, disse Libby-Roberts. “É incomum, e a explicação mais simples é a neblina densa. Os anéis devem ter vida curta, ser compostos de materiais muito específicos e estar localizados 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 os componentes do infravermelho médio do JWST, poderíamos ser capazes de detectar ou ser infravermelho. Veja toda a extensão da camada de neblina.”
Olhando para outros planetas super-puff
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 super-puff partilham uma atmosfera nebulosa semelhante 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 estamos a começar a encontrar exoplanetas que não correspondem exatamente ao nosso sistema solar, e temos estes mundos alienígenas que realmente desafiam a nossa compreensão da formação planetária. Ainda não encontrámos um sistema solar como o nosso, e sermos capazes 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 o professor associado de astronomia e astrofísica da Penn State, Renew Hu, e Caleb Kanas, do Goddard Space Flight Center da NASA, que obteve um doutorado em astronomia e astrofísica na Penn State. A equipe também inclui Aaron Bello-Aruffe, Kazumasa Ohno e Armen Tokadjian do Instituto de Tecnologia da Califórnia; Zachary K. da Universidade do Colorado em Boulder. Bertha-Thompson e Catriona Murray; Yati Chachan, da Universidade da Califórnia, Santa Cruz; Yui Kawashima, da Universidade de Quioto; Kento Masuda da Universidade de Osaka; Leslie Hebb, do Hobart e William Smith College; Carolyn Morley, da Universidade do Texas em Austin; Guangwei Fu e Kevin B. da Universidade Johns Hopkins. Stevenson; e Peter Gao da Carnegie Institution for Science.
A NASA apoiou esta pesquisa por meio de uma bolsa do JWST, com apoio adicional do Penn State Center for Exoplanets and Habitable Worlds. O trabalho computacional foi realizado usando a Infraestrutura Cibernética Avançada do Penn State Institute for Computational and Data Science.
