Como é que isto aconteceu? Um planeta gigante orbita uma estrela pequena

 Observações de um exoplaneta altamente invulgar, TOI-5205 b - por vezes denominado "proibido" -, realizadas pelo Telescópio Espacial James Webb, sugerem que a sua atmosfera contém menos elementos pesados do que a estrela hospedeira. Estas descobertas têm implicações para a nossa compreensão do processo de formação de planetas gigantes que ocorre nas fases iniciais da vida de uma estrela. 

Impressão de artista do gigante gasoso TOI-5205 b em órbita de uma pequena e fria estrela vermelha. Crédito: Katherine Caine, Instituto Carnegie

Publicadas a semana passada na revista The Astronomical Journal, estas descobertas representam o trabalho colaborativo de uma equipa internacional de astrónomos liderada por Caleb Cañas, do Centro de Voos Espaciais Goddard da NASA, e que inclui Shubham Kanodia, do Instituto Carnegie.

TOI-5205 b é um planeta do tamanho de Júpiter que orbita uma estrela que, por sua vez, tem cerca de quatro vezes o tamanho de Júpiter e cerca de 40 por cento da massa do Sol. Quando passa à frente da sua estrela hospedeira - um fenómeno a que os astrónomos chamam "trânsito" -, o planeta bloqueia cerca de 6% da sua luz. Ao observar este trânsito com instrumentos telescópicos chamados espetrógrafos, que dividem a luz nas suas cores constituintes, os astrónomos podem tentar decifrar a composição atmosférica do planeta e aprender mais sobre a sua história e relação com a sua estrela hospedeira.

Os planetas nascem do disco giratório de gás e poeira que rodeia uma estrela na sua juventude. Embora seja geralmente aceite que os planetas gigantes se formam nestes discos resultantes do nascimento da estrela-mãe, a existência de planetas massivos como TOI-5205 b em órbita de estrelas frias a distâncias próximas levanta muitas questões sobre este processo.

Para esclarecer melhor esta questão, Kanodia, Cañas e Jessica Libby-Roberts, da Universidade de Tampa, EUA, estão a liderar o maior programa de exoplanetas do Ciclo 2 do Telescópio James Webb, intitulado "Anãs Vermelhas e os Sete Gigantes", concebido para estudar mundos improváveis como TOI-5205 b - por vezes designados por GEMS (“giant exoplanets around M dwarf stars”).

Em 2023, Kanodia liderou o esforço que confirmou a existência de TOI-5205 b, dando seguimento às informações do TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) da NASA, que o identificou pela primeira vez como um candidato a planeta. Agora, ele colidera a equipa que fez as primeiras observações da sua composição atmosférica.

As suas observações de três trânsitos de TOI-5205 b revelaram algo que os astrónomos não conseguiram explicar facilmente. Ficaram surpreendidos ao ver que a atmosfera do planeta tem uma concentração mais baixa de elementos pesados - em relação ao hidrogénio - do que um planeta gigante gasoso do nosso próprio Sistema Solar, como Júpiter. Tem até uma metalicidade mais baixa do que a sua própria estrela hospedeira. Isto faz com que se destaque entre todos os planetas gigantes que foram estudados até à data.

Além disso, embora menos surpreendente, os trânsitos revelaram metano (CH₄) e sulfureto de hidrogénio (H₂S) na atmosfera de TOI-5205 b.

Para contextualizar as suas descobertas, os membros da equipa Simon Muller e Ravit Helled, da Universidade de Zurique, utilizaram modelos sofisticados do interior planetário para prever que a composição total de TOI-5205 b é cerca de 100 vezes mais rica em metais do que a sua atmosfera, tal como medido pelos trânsitos.

"Observámos uma metalicidade muito inferior à prevista pelos nossos modelos para a composição global do planeta, calculada a partir de medições da massa e do raio do planeta. Isto sugere que os seus elementos pesados migraram para o interior durante a formação e que, atualmente, o seu interior e a sua atmosfera não se misturam", explicou Kanodia. "Em resumo, estes resultados sugerem uma atmosfera planetária muito rica em carbono e pobre em oxigénio".

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