A evolução do sistema planetário Trappist-1

Planetas são corpos que orbitam uma estrela e têm massa gravitacional suficiente para se formarem em formas aproximadamente esféricas que, por sua vez, exercem força gravitacional em objetos menores ao redor deles, como asteroides e luas.

Durante a maior parte da história humana, os únicos planetas que nossos ancestrais conheciam eram aqueles que eles podiam ver no céu noturno. Mas nos últimos 30 anos, telescópios sensíveis o suficiente para inferir a presença de exoplanetas — planetas fora do nosso próprio sistema solar — foram desenvolvidos. 

Esta impressão de artista mostra como poderá ser o sistema planetário TRAPPIST-1, com base nos dados disponíveis sobre os diâmetros, massas e distâncias dos planetas à estrela hospedeira, em fevereiro de 2018. Crédito: NASA/JPL-Caltech 

Exoplanetas são, é claro, muito mais difíceis de observar diretamente do que estrelas e galáxias. Quase todas as descobertas de exoplanetas, principalmente a partir de 2010, foram baseadas em medições fotométricas (a quantidade de luz recebida) das estrelas hospedeiras dos exoplanetas, em vez dos próprios planetas. Isso é chamado de método de trânsito.

Agora, com a ajuda do Telescópio Espacial Spitzer , que fez sua primeira detecção de exoplanetas em 2005; o Telescópio Espacial Kepler/KW , projetado especificamente para procurar exoplanetas; e o Telescópio Espacial James Webb , lançado em 2021, o método de trânsito e outras técnicas confirmaram a existência de mais de 5.000 exoplanetas habitando milhares de sistemas estelares.

"Quando tínhamos apenas nosso próprio sistema solar para analisar, alguém poderia simplesmente assumir que os planetas se formaram nos lugares onde os encontramos hoje", diz Gabriele Pichierri, pesquisador associado de pós-doutorado em ciência planetária no Caltech, trabalhando no grupo do Professor de Ciência Planetária Konstantin Batygin.

"No entanto, quando descobrimos até mesmo o primeiro exoplaneta em 1995, tivemos que reconsiderar essa suposição. Estamos desenvolvendo modelos melhores de como os planetas são formados e como eles vêm a estar nas orientações em que os encontramos."

A maioria dos exoplanetas se forma a partir do disco de gás e poeira ao redor de estrelas recém-formadas e então espera-se que migrem para dentro, aproximando-se do limite interno deste disco. Isso reúne sistemas planetários que estão muito mais próximos da estrela hospedeira do que é o caso em nosso próprio sistema solar.

Na ausência de outros fatores, os planetas tenderão a se distanciar uns dos outros em distâncias características com base em suas massas e forças gravitacionais entre os planetas e sua estrela hospedeira. "Este é o processo de migração padrão", explica Pichierri.

"As posições dos planetas formam ressonâncias entre seus períodos orbitais. Se você pegar o período orbital de um planeta e então dividi-lo pelo período orbital de seu planeta vizinho, você obtém uma proporção de inteiros simples, como 3:2." Então, por exemplo, se um planeta leva dois dias para orbitar em torno de sua estrela, o próximo planeta, mais distante, levará três dias. Se esse segundo planeta e um terceiro mais distante também estiverem em uma ressonância 3:2, então o período orbital do terceiro planeta será de 4,5 dias.

O sistema Trappist-1, que hospeda sete planetas e está localizado a cerca de 40 anos-luz da Terra, é especial por várias razões. "Os planetas externos se comportam corretamente, por assim dizer, com as ressonâncias esperadas mais simples", diz Pichierri.

"Mas os internos têm ressonâncias um pouco mais picantes." A proporção entre as órbitas dos planetas b e c é de 8:5, por exemplo, e entre c e d é de 5:3. "Essa estreita discrepância no resultado da montagem do Trappist-1 é intrigante e representa uma oportunidade maravilhosa de descobrir em detalhes quais outros processos estavam em jogo em sua montagem", diz ele.

"Além disso, acredita-se que a maioria dos sistemas planetários tenha começado nesses estados ressonantes, mas encontrou instabilidades significativas em sua vida útil antes de observá-los hoje", explica Pichierri. "A maioria dos planetas fica instável ou colide uns com os outros, e tudo fica embaralhado.

Nosso próprio sistema solar, por exemplo, foi afetado por tal instabilidade. Mas sabemos de alguns sistemas que permaneceram estáveis, que são espécimes mais ou menos imaculados. Eles, na verdade, exibem um registro de toda a sua história dinâmica que podemos então tentar reconstruir. Trappist-1 é um deles."

O desafio então era desenvolver um modelo que pudesse explicar as órbitas dos planetas Trappist-1 e como eles atingiram sua configuração atual.

O modelo resultante sugere que os quatro planetas internos inicialmente evoluíram sozinhos na esperada cadeia de ressonância 3:2. Foi somente quando o limite interno do disco se expandiu para fora que suas órbitas relaxaram da cadeia 3:2 mais estreita para a configuração que observamos hoje.

O quarto planeta, que originalmente ficava no limite interno do disco, movendo-se mais para fora junto com ele, foi mais tarde empurrado de volta para dentro quando três planetas externos adicionais se juntaram ao sistema planetário em um estágio posterior.

"Ao olhar para Trappist-1, fomos capazes de testar novas hipóteses interessantes para a evolução de sistemas planetários", diz Pichierri. "Trappist-1 é muito interessante porque é muito intrincado; é uma longa cadeia planetária. E é um ótimo exemplar para testar teorias alternativas sobre a formação de sistemas planetários."

Fonte: Caltech.edu