Astrônomos desvendam a origem de um estranho par planetário.

Novas medições de um Júpiter quente e seu companheiro mini-Netuno sugerem que ambos os planetas se formaram surpreendentemente longe de sua estrela hospedeira. 

Este par invulgar de um mini-Neptuno e um Júpiter quente provavelmente formou-se para além da "linha de gelo" da sua estrela, na região mais fria do disco protoplanetário. Crédito: Kamalika Chakraborty

Na Via Láctea, um casal planetário peculiar orbita uma estrela a cerca de 190 anos-luz da Terra. Um Júpiter quente, normalmente "solitário", divide o espaço com um mini-Netuno, numa combinação rara e improvável que intriga os astrônomos desde a descoberta do sistema em 2020.

Agora, cientistas do MIT conseguiram vislumbrar a atmosfera do mini-Netuno, que orbita dentro da órbita de seu companheiro do tamanho de Júpiter, e descobriram pistas para explicar as origens desse sistema planetário incomum.

Em um estudo publicado hoje no Astrophysical Journal Letters , os cientistas relatam novas medições da atmosfera do mini-Netuno, feitas usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA. É a primeira vez que astrônomos medem a composição de um mini-Netuno que reside dentro da órbita de um Júpiter quente.

As medições revelam que o planeta menor possui uma atmosfera "densa", rica em vapor de água, dióxido de carbono, dióxido de enxofre e indícios de metano. Uma atmosfera tão densa não teria sido adquirida pelo planeta se ele tivesse se formado em sua localização atual, muito próximo à sua estrela.

Em vez disso, os cientistas afirmam que suas descobertas apontam para uma história de origem alternativa: tanto o mini-Netuno quanto o Júpiter quente podem ter se formado muito mais longe, na região mais fria do disco protoplanetário. Lá, os planetas poderiam ter desenvolvido lentamente atmosferas de gelo e outros voláteis. Com o tempo, os planetas provavelmente foram atraídos para a estrela em um processo gradual que os manteve próximos, com suas atmosferas intactas.

Os resultados da equipe são os primeiros a mostrar que mini-Netunos podem se formar além da "linha de gelo" de uma estrela. Esse limite se refere à distância mínima de uma estrela onde a temperatura é baixa o suficiente para que a água se condense instantaneamente em gelo.

“Esta é a primeira vez que observamos a atmosfera de um planeta que está dentro da órbita de um Júpiter quente”, diz Saugata Barat, pós-doutorando no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT e principal autor do estudo. “Essa medição nos diz que esse mini-Netuno de fato se formou além da linha de gelo, confirmando que esse canal de formação existe.”

A equipe é composta por astrônomos de todo o mundo, incluindo Andrew Vanderburg, professor assistente visitante do MIT, e coautores de várias outras instituições, incluindo o Centro de Astrofísica de Harvard e Smithsonian, a Universidade do Sul de Queensland, a Universidade do Texas em Austin e a Universidade de Lund.

Um sistema “único”

Como o próprio nome indica, os mini-Netunos são planetas menos massivos que Netuno. São considerados anãs gasosas, compostas principalmente de gás, com um núcleo rochoso interno. Os mini-Netunos são os planetas mais comuns na Via Láctea, embora, curiosamente, não exista nenhum planeta desse tipo em nosso próprio sistema solar. Os astrônomos observaram muitos planetas orbitando uma grande variedade de estrelas em diversos sistemas planetários. Os mini-Netunos, portanto, são geralmente considerados planetas comuns.

Mas em 2020, Chelsea X. Huang, então bolsista de pós-doutorado Torres no MIT (atualmente professora na Universidade do Sul de Queensland), descobriu um mini-Netuno em uma circunstância rara e intrigante: o planeta parecia estar orbitando sua estrela com um companheiro improvável — um Júpiter quente.

Os astrônomos fizeram a descoberta usando o Satélite de Pesquisa de Exoplanetas em Trânsito (TESS) da NASA. Eles analisaram as medições do TESS da estrela TOI-1130, localizada a 190 anos-luz da Terra, e detectaram indícios de um mini-Netuno e um Júpiter quente, orbitando a estrela a cada quatro e oito dias, respectivamente.

 Na parte superior, há muito tempo e ao longo de um período de 10 milhões de anos, um mini-Neptuno (TOI-1130 b) e um Júpiter quente (TOI-1130 c) formaram-se na "linha de gelo" da sua estrela. Os círculos azuis à volta do mini-Neptuno representam seixos ricos em material gelado. Em baixo, representando a idade atual de mais de mil milhões de anos, os planetas aproximaram-se da estrela, para longe da linha de gelo. Os seixos gelados evaporaram moléculas como água e dióxido de carbono na atmosfera de TOI-1130 b. Crédito: Kamalika Chakraborty

“Este era um sistema único”, diz Huang. “Júpiteres quentes são 'solitários', o que significa que não têm planetas companheiros em suas órbitas. Eles são tão massivos e sua gravidade é tão forte que tudo o que está dentro de sua órbita é simplesmente disperso. Mas, de alguma forma, neste Júpiter quente, um planeta companheiro interno sobreviveu. E isso levanta questões sobre como um sistema assim poderia se formar.”

Uma foto perfeita

A descoberta de TOI-1130 e seu peculiar par planetário em 2020 inspirou Huang, Vanderburg e seus colegas a examinarem mais de perto os planetas e, especificamente, suas atmosferas, com o JWST. Em seu novo estudo, a equipe relata sua análise de TOI-1130b — o mini-Netuno em órbita interna.

Capturar o planeta no momento exato foi o primeiro desafio. A maioria dos planetas orbita sua estrela com um período regular e previsível, como o tique-taque de um relógio. Mas descobriu-se que o mini-Netuno e o Júpiter quente estavam em "ressonância de movimento médio", o que significa que cada um pode afetar o movimento do outro, puxando e repelindo, e variando ligeiramente o tempo que cada um leva para orbitar sua estrela. Isso dificultou a previsão de quando o JWST conseguiria uma visão nítida.

A equipe, liderada por Judith Korth, da Universidade de Lund, reuniu o máximo de observações anteriores do sistema que conseguiu e desenvolveu um modelo para prever quando cada planeta passaria pela estrela em um ângulo que o JWST pudesse observar. 

“Foi uma previsão desafiadora, e tínhamos que acertar em cheio”, diz Barat.

No final, a equipe conseguiu capturar uma imagem direta e detalhada de ambos os planetas.

“A beleza do JWST é que ele não observa apenas em uma cor, mas em diferentes cores, ou comprimentos de onda”, explica Barat. “E os comprimentos de onda específicos que um planeta absorve podem revelar muito sobre a composição de sua atmosfera.”

A partir das medições do JWST, a equipe descobriu que o planeta absorvia comprimentos de onda específicos para água, dióxido de carbono, dióxido de enxofre e, em menor grau, metano. Essas moléculas são mais pesadas que o hidrogênio e o hélio, que constituem atmosferas mais leves. Os astrônomos presumiam que, se os mini-Netunos se formassem muito perto de sua estrela, eles deveriam ter atmosferas leves.

Mas os novos resultados da equipe contradizem essa suposição e oferecem uma nova maneira pela qual mini-Netunos poderiam se formar. Como moléculas mais pesadas foram encontradas na atmosfera de TOI-1130b, que reside muito perto de sua estrela, os cientistas afirmam que a única explicação possível para sua composição é que o planeta se formou muito mais longe do que sua localização atual.

O planeta provavelmente acumulou sua densa atmosfera de água e outros voláteis, como dióxido de carbono e dióxido de enxofre, na região gelada além da linha de congelamento da estrela. Nesse ambiente muito mais frio, a água se condensa em partículas de poeira, formando pequenos grãos de gelo, que um planeta jovem pode atrair para sua atmosfera. A água evapora à medida que migra lentamente para mais perto de sua estrela.

Barat afirma que a detecção de moléculas pesadas na atmosfera de TOI-1130b pela equipe confirma que o planeta — e provavelmente seu companheiro Júpiter quente — se formou na periferia do sistema. Através de uma migração gradual, os dois planetas teriam conseguido permanecer próximos e manter suas atmosferas intactas.

“Este sistema representa uma das arquiteturas mais raras que os astrônomos já encontraram”, diz Barat. “As observações de TOI-1130b fornecem o primeiro indício de que esses mini-Netunos que se formam além da linha de transição entre água e gelo realmente existem na natureza.”

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