Pesquisa internacional liderada por professor da Universidade de York esclarece 'planetas de lava'

Novos modelos de interiores planetários fornecem aos cientistas uma estrutura para interpretar observações atuais de exoplanetas distantes a partir de telescópios espaciais e terrestres

Ilustração da estrutura interna de um planeta de lava num estado frio, mostrando um oceano de magma no lado diurno coberto por uma atmosfera mineral. As setas indicam a direção do transporte de calor no interior do planeta e a radiação térmica emitida pelo seu lado noturno. Crédito: Romain Jean-Jaques 

Um novo artigo liderado por um professor da Universidade de York e publicado hoje na Nature Astronomy apresenta uma estrutura teórica simples para descrever a evolução do sistema acoplado interior-atmosfera de exoplanetas rochosos quentes conhecidos como “planetas de lava”.

“Os planetas de lava estão em configurações orbitais tão extremas que nosso conhecimento sobre planetas rochosos no sistema solar não se aplica diretamente, deixando os cientistas incertos sobre o que esperar ao observar planetas de lava”, diz o primeiro autor Charles-Édouard Boukaré , professor assistente no Departamento de Física e Astronomia da Faculdade de Ciências da Universidade de York.

Nossas simulações propõem uma estrutura conceitual para interpretar sua evolução e fornecem cenários para investigar sua dinâmica interna e mudanças químicas ao longo do tempo. Esses processos, embora bastante amplificados em planetas de lava, são fundamentalmente os mesmos que moldam planetas rochosos em nosso próprio sistema solar.

Mundos exóticos podem revelar processos que impulsionam a evolução planetária

Planetas de lava são mundos do tamanho da Terra ou da super-Terra que orbitam extremamente perto de suas estrelas hospedeiras, completando uma órbita em menos de um dia terrestre. Assim como a Lua da Terra, espera-se que eles sejam sincronizados por maré, sempre mostrando a mesma face para sua estrela. Suas superfícies diurnas atingem temperaturas tão extremas que rochas de silicato derretem – e até vaporizam – criando condições incomparáveis em nosso sistema solar. Esses mundos exóticos, facilmente observáveis devido ao seu período orbital ultracurto, fornecem insights únicos sobre os processos fundamentais que moldam a evolução planetária.

Investigando interiores planetários através das propriedades da atmosfera e da superfície

O estudo combina expertise em mecânica de fluidos geofísica, atmosferas exoplanetárias e mineralogia para explorar como as composições dos planetas de lava evoluem por meio de um processo semelhante à destilação. Quando as rochas derretem ou vaporizam, elementos como magnésio, ferro, silício, oxigênio, sódio e potássio se dividem de forma diferente entre as fases vapor, líquida e sólida. A configuração orbital única dos planetas de lava mantém os equilíbrios vapor-líquido e sólido-líquido ao longo de bilhões de anos, impulsionando a evolução química a longo prazo.

Usando simulações numéricas sem precedentes, a equipe prevê dois estados evolutivos dos membros finais:

            • Interior totalmente derretido (provavelmente planetas jovens): A atmosfera reflete a composição planetária em massa, e o transporte de calor dentro do interior derretido mantém a superfície do lado noturno quente e dinâmica.

            • Interior predominantemente sólido (provavelmente planetas mais antigos): apenas um oceano raso de lava permanece no lado diurno, e a atmosfera fica pobre em elementos como sódio, potássio e ferro.

Testando hipóteses com o Telescópio Espacial James Webb

Boukaré explica que esta pesquisa sobre exoplanetas de lava começou como um esforço altamente exploratório, com poucas expectativas iniciais. Ela se baseia em uma nova abordagem de modelagem que ele desenvolveu para estudar planetas rochosos derretidos em colaboração com colegas do Instituto de Física do Globo de Paris, da Universidade Paris Cité, publicada na Nature no início deste ano.

O que começou como um estudo exploratório abriu caminho para uma nova e promissora linha de pesquisa. As previsões descritas neste trabalho ajudaram a garantir 100 horas de observação no Telescópio Espacial James Webb (JWST) — o observatório infravermelho mais avançado já construído, com um espelho segmentado de 6,5 metros e instrumentos ultrassensíveis capazes de sondar as primeiras galáxias e as atmosferas de exoplanetas distantes com precisão sem precedentes. Essas próximas observações do JWST, lideradas pelo coautor Prof. Dang, testarão diretamente a estrutura teórica proposta neste estudo.

“Esperamos realmente poder observar e distinguir planetas de lava antigos de planetas de lava jovens. Se conseguirmos fazer isso, representará um passo importante para ir além da visão tradicional de exoplanetas”, diz Boukaré.

Universidade York