Como a ciência é testada em mundos alienígenas: 'Rapidamente percebemos o quanto ainda há para descobrir'

"Cada novo resultado pode remodelar nossa compreensão dos planetas, sua habitabilidade e nosso lugar neste universo." 

Uma ilustração artística do exoplaneta quente de Júpiter, CoRoT 2b, que possui um estranho ponto quente em sua atmosfera, que se projeta para oeste, segundo cientistas. (Crédito da imagem: T. Pyle (IPAC)/NASA/JPL-Caltech)

Quando um planeta nasce de bolsões rodopiantes de gás molecular e poeira que circundam uma estrela jovem, ele se forma sob condições de intensa gravidade e pressão. O processo é violento, os primeiros estágios da vida de um planeta são caóticos e os mundos recém-nascidos costumam ser extremamente quentes.

Os cientistas há muito presumem que, nessas condições extremas, as matérias-primas envolvidas na formação dos mundos — gás, gelo, rocha e uma mistura de metais — não interagem muito entre si. No entanto, talvez seja hora de revisitar essa ideia. Uma equipe de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Los Angeles, e da Universidade de Princeton questionou essa suposição, questionando se um planeta em formação além do nosso sistema solar — um exoplaneta — poderia servir como um laboratório natural no qual as moléculas interagem de maneiras surpreendentes dentro do calor fervente de sua atmosfera e núcleo.

"Modelos padrão de planetas pressupõem que esses blocos de construção não interagem entre si", disse Lars Stixrude, professor da UCLA, ao Space.com. "Com tantos novos planetas sendo descobertos, especialmente aqueles que provavelmente possuem atmosferas espessas de hidrogênio em torno de interiores derretidos de água, rocha ou ambos — questionamos se essa suposição realmente se sustenta, especialmente dadas as condições extremas possíveis dentro de planetas onde nossa compreensão da física não está bem estabelecida."

A evolução de planetas ricos em água tem sido amplamente estudada, embora tipicamente sob a seguinte premissa: que suas atmosferas ricas em hidrogênio não interagem com seus interiores ricos em água. Mas Stixrude e seus coautores, Akash Gupta e Hilke Schlichting, sugerem que uma dinâmica única entre água e hidrogênio pode ter implicações profundas que não consideramos em nossos modelos de desenvolvimento planetário.

Para descobrir como um sistema composto de hidrogênio e água poderia interagir se existisse junto em outro mundo, a equipe conduziu simulações baseadas em computador que modelam a dinâmica das moléculas em um nível quântico.

"Pense em nossos experimentos computacionais como um pequeno laboratório digital onde colocamos centenas de moléculas de hidrogênio e água em uma caixa", disse Gupta, um estudante de doutorado da UCLA na época do estudo e agora um pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Princeton, ao Space.com.

"Deixamos então que a mecânica quântica governe o comportamento dessas moléculas sob diferentes pressões e temperaturas, semelhantes às condições dentro dos planetas", continuou ele. "Esse processo nos ajuda a mapear quais condições planetárias favorecem a mistura ou a separação e em que grau."

Os pesquisadores identificaram uma "curva crítica" na relação pressão-temperatura da mistura de hidrogênio e água — um limite onde o hidrogênio e a água passam de uma mistura completa em um único fluido para uma nova separação em duas fases distintas.

"Quando os planetas são jovens ou quentes, seus interiores podem estar no lado mais quente dessa curva [pressão-temperatura], o que nos diz que o hidrogênio e a água estarão completamente misturados neles", disse Gupta. "À medida que os planetas esfriam à medida que envelhecem, eventualmente seus interiores podem cair para o lado mais frio dessa curva, e a água e o hidrogênio começarão a se separar."

Representação artística de um planeta jovem e gigante orbitando sua estrela.(Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech)

Talvez a parte mais interessante das simulações seja que a equipe prevê que, à medida que o planeta esfria e a água se separa, o planeta experimentaria uma "chuva" planetária à medida que afundasse mais profundamente na atmosfera. "Isso pode levar a mudanças na composição das atmosferas do planeta: o surgimento de uma atmosfera rica em hidrogênio e um interior rico em água, além de ter implicações no balanço energético do planeta", disse Schlichting, professor da UCLA, ao Space.com.

Se o planeta esfriar o suficiente e o hidrogênio e a água se separarem no início de sua evolução, Gupta diz que uma camada supercrítica de água poderia se formar abaixo da atmosfera de hidrogênio — lançando assim uma nova luz sobre como planetas com oceanos de água líquida poderiam existir.

Essas descobertas também podem ajudar a resolver um antigo mistério em torno dos campos magnéticos desequilibrados de Netuno e Urano . "Os campos magnéticos nos planetas são gerados pelo fluxo de materiais condutores em seu interior", disse Gupta. "Em altas pressões e temperaturas, como esperado dentro de Urano e Netuno, o hidrogênio e a água podem se tornar atômicos e semelhantes a metais, ou seja, bons condutores de eletricidade."

"Essa mistura em si poderia, portanto, […] explicar os enigmáticos campos magnéticos de Urano e Netuno, que são diferentes de qualquer outro corpo planetário em nosso Sistema Solar", continuou ele. "Anteriormente, esses campos magnéticos eram atribuídos apenas a camadas puras de água ou gelo, uma vez que a física por trás das interações hidrogênio-água era amplamente inexplorada."

Estudos como este fornecem uma plataforma incrivelmente valiosa para explorar os limites da física e da química como as conhecemos. Os núcleos dos planetas oferecem um cenário único para mergulhar nesses campos, desafiando nossa compreensão atual e potencialmente revelando novos princípios que podem reformulá-los.

"Muitas vezes presumimos que a física e a química são totalmente compreendidas, mas quando mergulhamos nas condições extremas do interior dos planetas — pressões milhares a milhões de vezes maiores que a atmosfera da Terra e temperaturas altas o suficiente para derreter rochas — rapidamente percebemos o quanto ainda há para descobrir", disse Gupta. "Isso é especialmente verdadeiro no campo emergente dos exoplanetas, onde unir insights da astrofísica, da ciência planetária, da geociência e da química é essencial se quisermos realmente compreender os sistemas incrivelmente complexos de planetas e suas atmosferas."

A equipe diz que planeja estender suas simulações moleculares para incluir moléculas formadoras de rochas e gelo para entender como elas podem coexistir e interagir com a atmosfera baseada em hidrogênio de um planeta, seu interior e outros gases, como o hélio, que podem estar presentes.

"Esses novos insights na intersecção da química e da física estão nos ajudando a explorar territórios desconhecidos", concluiu Schlichting. "Cada novo resultado pode remodelar nossa compreensão dos planetas, sua habitabilidade e nosso lugar neste universo."

Space.com