Júpiter pode ser o “rei” dos planetas do nosso Sistema Solar, mas noutros sistemas estelares pela galáxia existem planetas ainda maiores a orbitar a milhares de milhões de quilómetros das suas estrelas - em regiões onde as teorias tradicionais de formação têm dificuldade em justificá-los.
Um novo estudo analisa três gigantes gasosos massivos a cerca de 130 anos-luz, recorrendo à sua química atmosférica para investigar de que forma conseguem formar-se planetas tão enormes.
O sistema HR 8799 e os seus gigantes gasosos
Quatro gigantes gasosos já conhecidos orbitam HR 8799, uma estrela do tipo F na constelação de Pégaso. Todos são descomunais, com massas entre 5 e 10 vezes a de Júpiter.
As suas órbitas situam-se entre 15 e 70 unidades astronómicas (2 mil milhões a 10 mil milhões de km), ou seja, cerca de 15 a 70 vezes mais longe da sua estrela do que a Terra está do Sol.
Dados do JWST/NIRSpec e análise da química atmosférica
Com espectros de resolução moderada obtidos com o instrumento NIRSpec do JWST, a equipa realizou uma análise detalhada da composição atmosférica dos três planetas mais interiores do sistema, no intervalo de comprimentos de onda entre 3 e 5 micrómetros.
Apesar de os planetas serem milhares de vezes mais ténues do que a estrela hospedeira, a sensibilidade do JWST permitiu separar os seus sinais fracos do encandeamento estelar.
Para o conseguir, os investigadores construíram modelos atmosféricos complexos para estes planetas, ajustando-os e comparando-os directamente com os dados.
Anãs castanhas vs. formação planetária: colapso gravitacional ou acréscimo de núcleo?
Os gigantes gasosos podem aproximar-se da gama de massas das anãs castanhas - objectos que chegam a fundir deutério durante um período breve -, mas os astrónomos consideram que estes dois tipos de corpos se formam de maneiras fundamentalmente distintas.
As anãs castanhas formam-se como as estrelas, através de um colapso gravitacional “de cima para baixo”, embora não tenham massa suficiente para manter a fusão do hidrogénio.
Já a formação de planetas é atribuída, em grande medida, ao acréscimo de núcleo (core accretion), um processo “de baixo para cima” em que os núcleos crescem lentamente à medida que a matéria sólida se aglomera num disco protoplanetário. Alguns núcleos maiores podem ainda capturar gases remanescentes da nebulosa original e, com o tempo, transformar-se em gigantes gasosos.
Esse é, em linhas gerais, o cenário dominante para Júpiter e Saturno - mas será que funciona num sistema como HR 8799, onde existem colossos mais massivos a distâncias muito superiores?
A esta escala, alguns especialistas questionam se planetas tão grandes e tão afastados conseguem formar-se por acréscimo de núcleo. Longe da estrela, espera-se que o acréscimo decorra mais lentamente, podendo não haver tempo suficiente para os planetas reunirem material antes de o disco se dissipar. Uma hipótese alternativa é que estes mundos surjam por colapso gravitacional, de forma semelhante às anãs castanhas.
Enxofre na atmosfera como pista sobre a formação
Para pôr essa ideia à prova, os investigadores recorreram aos dados do JWST sobre os planetas de HR 8799 à procura de enxofre, um elemento refractário que fica, em grande parte, retido em grãos sólidos nos discos protoplanetários. Assim, a detecção de enxofre na atmosfera de um planeta seria um indício de que, durante a formação, houve acréscimo de material sólido.
"With its unprecedented sensitivity, JWST is enabling the most detailed study of the atmospheres of these planets, giving us clues to their formation pathways," says co-first author Jean-Baptiste Ruffio, an astronomer at the University of California, San Diego (UC San Diego).
Os autores encontraram fortes evidências de sulfureto de hidrogénio em HR 8799 c e d, e os seus modelos atmosféricos apontam para um enriquecimento em enxofre semelhante nos três planetas interiores.
"With the detection of sulfur, we are able to infer that the HR 8799 planets likely formed in a similar way to Jupiter despite being 5 to 10 times more massive, which was unexpected," Ruffio says.
"In the end, we detected several molecules in these planets – some for the first time, including hydrogen sulfide," says astronomer and co-first author of the study Jerry Xuan of the University of California, Los Angeles.
De acordo com os resultados, os planetas apresentam um enriquecimento uniforme em elementos pesados - incluindo carbono, oxigénio e enxofre - quando comparados com a estrela hospedeira, o que sugere que grandes quantidades de material sólido foram incorporadas durante a sua formação.
Os investigadores concluem ainda que o nível desse enriquecimento em elementos pesados é difícil de compatibilizar com alguns modelos clássicos de formação.
"There's no way planetary formation should be that efficient," says Michael Meyer, an astronomer at the University of Michigan.
A equipa terá de analisar outros sistemas para lá de HR 8799; por agora, a eficiência com que estes três planetas massivos se formaram continua a ser desconcertante.
"It's a conundrum. We're really left with a mystery here," Meyer says.
O estudo foi publicado na Nature Astronomy.
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