Gigantes gasosos são planetas gigantes feitos principalmente de hidrogênio e hélio. Eles podem ter um núcleo central denso, mas, ao contrário da Terra, não têm uma superfície sólida onde você possa se apoiar. No nosso sistema solar, Júpiter e Saturno são exemplos clássicos. Além da nossa vizinhança, os astrônomos identificaram muitos exoplanetas gigantes gasosos, alguns muito maiores que Júpiter. Os mais massivos desses mundos começam como anãs marrons, objetos subestelares às vezes chamados de “estrelas fracassadas” porque não fundem hidrogênio.
Esta sobreposição levanta uma grande questão na astronomia. Como exatamente esses planetas massivos se formam? Uma possibilidade é a acreção central, o mesmo processo que se acredita ter formado Júpiter e Saturno. Neste cenário, um núcleo sólido forma-se lentamente dentro de um disco de poeira e gelo, acumulando material rochoso e gelado até ser grande o suficiente para absorver o gás circundante. Outra possibilidade é a instabilidade gravitacional, onde uma nuvem de gás que gira em torno de uma estrela jovem colapsa rapidamente sob a sua própria gravidade, criando um grande objeto como 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, descobriram evidências que fornecem uma resposta surpreendente. Seus resultados foram publicados Astronomia da Natureza.
O 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 gigantes, cada um com cinco a dez vezes a massa de Júpiter. Estes mundos orbitam a distâncias de 15 a 70 unidades astronómicas, o que significa que mesmo o planeta mais próximo está 15 vezes mais longe do Sol do que a Terra da sua estrela. As massas planetárias variam de 5 a 10 MJup, então mesmo o menor deles excede Júpiter por um fator de cinco.
De certa forma, HR 8799 assemelha-se a uma versão ampliada do nosso sistema solar, que também inclui quatro planetas gigantes exteriores que se estendem de Júpiter a Neptuno. 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 formados através da acreção do núcleo não teriam tido tempo suficiente para crescerem o suficiente antes que a jovem estrela dispersasse o disco de gás circundante.
Espectroscopia JWST revela fórmula 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 como os planetas se formam porque a sua origem é difícil de identificar.
Em vez disso, a equipe se concentrou em materiais mais estáveis, conhecidos como materiais refratários. Esses elementos, incluindo o enxofre, existem na forma sólida dentro do disco protoplanetário onde os planetas se formam. A detecção de enxofre na atmosfera de um gigante gasoso aponta fortemente para a formação de núcleo por acreção.
“Com a sua sensibilidade sem precedentes, o JWST está a permitir o estudo mais detalhado das atmosferas destes planetas, dando-nos pistas sobre os seus caminhos de formação. Com a deteção de enxofre, somos capazes de inferir que os planetas HR 8799 provavelmente se formaram de forma semelhante a Júpiter, embora fosse cinco a dez vezes mais massivo,” disse Rufio, 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 brilhantes e fáceis de analisar espectroscopicamente.
O espectrógrafo de alta resolução do JWST permite aos cientistas examinar a luz do exoplaneta sem interferência de moléculas na atmosfera da Terra. Pela primeira vez, os astrónomos detectaram assinaturas detalhadas de várias moléculas raras nas atmosferas dos três gigantes gasosos internos do sistema que já tinham desaparecido.
Detectando sulfeto de hidrogênio em mundos distantes
Extrair essas informações foi um desafio. Os planetas são cerca de 10.000 vezes mais fracos do que as suas estrelas hospedeiras, e o JWST não foi originalmente otimizado para um contraste tão extremo. Ruffio desenvolveu novas técnicas de análise de dados para isolar os sinais ambíguos do planeta. Jerry Juan, 51 Pegasi Be Fellow na UCLA, desenvolveu sofisticados modelos atmosféricos para comparar com espectros telescópicos e determinar se havia enxofre presente.
“A qualidade dos dados do JWST é verdadeiramente revolucionária e as grades de modelos atmosféricos existentes não eram adequadas. Para capturar completamente o que os dados nos diziam, refinei iterativamente a química e a física dos modelos”, disse ele. “No final, detectámos várias moléculas nestes planetas – algumas pela primeira vez, incluindo sulfureto de hidrogénio.”
Um terceiro planeta, HR 8799 c, encontrou sinais claros de enxofre, e os investigadores acreditam que provavelmente também existe nos outros dois planetas interiores. A equipa também descobriu que estes planetas têm elementos mais pesados do que as suas estrelas, como carbono e oxigénio, mais uma prova de que se formaram como planetas e não como objetos como as anãs castanhas.
Revisitando 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 Konopacki, professor de astronomia e astrofísica da UC San Diego, outro co-autor do artigo. “E entre os novos modelos, estamos a ver aqueles em que gigantes gasosos podem formar núcleos sólidos longe da sua estrela.”
Até o momento, HR 8799 é o único sistema de imagem direta conhecido que contém quatro gigantes gasosos massivos. No entanto, outros sistemas foram encontrados com um ou dois companheiros ainda mais massivos, cuja origem permanece incerta.
“Acho que a questão é: quão grande pode ser um planeta?” disse Rufio. “Pode um planeta ter 15, 20, 30 vezes a massa de 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, Yves J. Lee e Quinn Konopacki (todos da UC San Diego); Jerry W. Juan (Instituto de Tecnologia da Califórnia e UCLA); Dimitri Mawett, Aurora Kesselly, Charles Beichman, Geoffrey Bryden e Thomas P. Green (todos Instituto de Tecnologia da Califórnia); e Yayati Chachan (UC Santa Cruz). Uma lista completa dos autores aparece 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 autor e não refletem necessariamente os pontos de vista da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço.
