Os gigantes gasosos são planetas enormes compostos principalmente de hidrogênio e hélio. Eles podem conter núcleos centrais densos, mas, ao contrário da Terra, não possuem superfícies sólidas nas quais se poderia ficar em pé. Em nosso sistema solar, Júpiter e Saturno são exemplos clássicos. Além do nosso bairro, astrônomos identificaram muitos exoplanetas gigantes gasosos, alguns muito maiores que Júpiter. Os mundos mais massivos entre eles começam a se assemelhar a anãs marrons, objetos subestelares às vezes chamados de “estrelas falhadas” porque não realizam a fusão de hidrogênio.
Essa sobreposição levanta uma grande questão na astronomia. Como exatamente esses planetas massivos se formam? Uma possibilidade é a acreção de núcleo, o mesmo processo acreditado para ter criado Júpiter e Saturno. Nesse cenário, um núcleo sólido se forma lentamente dentro de um disco de poeira e gelo, acumulando material rochoso e gelado até se tornar massivo o suficiente para atrair o gás circundante. Outra possibilidade é a instabilidade gravitacional, onde uma nuvem giratória de gás ao redor de uma estrela jovem colapsa rapidamente sob sua própria gravidade, formando um grande objeto mais parecido com uma anã marrom.
Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade da Califórnia em San Diego se propôs a investigar esse mistério usando dados do Telescópio Espacial James Webb (JWST). Ao estudar o sistema estelar HR 8799, eles descobriram evidências que oferecem uma resposta surpreendente. Suas descobertas foram publicadas na Nature Astronomy.
O Sistema HR 8799 e Seus Super Júpiteres
HR 8799 está a cerca de 133 anos-luz de distância na constelação de Pégaso. Ele abriga quatro planetas massivos, cada um pesando entre cinco e dez vezes a massa de Júpiter. Esses mundos orbitam a distâncias que variam de 15 a 70 unidades astronômicas, o que significa que mesmo o planeta mais próximo está 15 vezes mais longe de sua estrela do que a Terra do Sol. As massas dos planetas variam de 5−10 MJup, então até o menor deles supera Júpiter em um fator de cinco.
De certa forma, HR 8799 se assemelha a uma versão ampliada do nosso sistema solar, que também apresenta quatro planetas gigantes exteriores que vão de Júpiter a Netuno. No entanto, o tamanho considerável dos planetas de HR 8799 e suas órbitas amplas intrigaram os cientistas. Modelos anteriores baseados em nosso sistema solar sugeriam que planetas formados por acreção de núcleo não teriam tempo suficiente para crescer tão massivos antes que a estrela jovem dispersasse o disco de gás ao redor.
A Espectroscopia do JWST Revela Indícios de Enxofre
Para aprofundar a investigação, os astrônomos utilizaram espectroscopia, uma técnica que analisa a luz para revelar a composição química e propriedades físicas de planetas distantes. Antes do JWST, os pesquisadores dependiam de telescópios de solo para medir moléculas como água e monóxido de carbono nas atmosferas de exoplanetas. Com o tempo, os cientistas perceberam que moléculas à base de carbono e oxigênio não eram ideais para traçar como os planetas se formam, pois suas origens são difíceis de determinar.
Em vez disso, a equipe se concentrou em materiais mais estáveis conhecidos como elementos refratários. Esses elementos, incluindo o enxofre, existem em forma sólida dentro do disco protoplanetário onde os planetas se formam. Detectar enxofre na atmosfera de um gigante gasoso aponta fortemente para a formação por meio da acreção de núcleo.
“Com sua sensibilidade sem precedentes, o JWST está permitindo o estudo mais detalhado das atmosferas desses planetas, fornecendo pistas sobre suas trajetórias de formação. Com a detecção de enxofre, podemos inferir que os planetas de HR 8799 provavelmente se formaram de maneira similar a Júpiter, apesar de serem cinco a dez vezes mais massivos, o que era inesperado”, afirmou Jean-Baptiste Ruffio, um cientista pesquisador da UC San Diego e primeiro coautor do artigo.
HR 8799 é relativamente jovem, com cerca de 30 milhões de anos (para referência, nosso sistema solar tem cerca de 4,6 bilhões de anos). Planetas mais jovens ainda retêm calor de sua formação, tornando-os mais brilhantes e mais fáceis de analisar com espectroscopia.
O espectrógrafo de alta resolução do JWST permite que os cientistas examinem a luz de exoplanetas sem interferência de moléculas na atmosfera da Terra. Pela primeira vez, os astrônomos detectaram assinaturas detalhadas de várias moléculas raras nas atmosferas dos três gigantes gasosos internos do sistema que antes não haviam sido vistas.
Detectando Sulfetos de Hidrogênio em Mundos Distantes
Extrair essas informações foi desafiador. Os planetas são aproximadamente 10.000 vezes mais fracos que sua estrela anfitriã, e o JWST não foi originalmente otimizado para diferenças tão extremas. Ruffio desenvolveu novas técnicas de análise de dados para isolar os sinais fracos dos planetas. Jerry Xuan, um bolsista da 51 Pegasi b na UCLA, construiu modelos atmosféricos sofisticados para comparar com os espectros do telescópio e determinar se o enxofre estava presente.
“A qualidade dos dados do JWST é verdadeiramente revolucionária e as grades de modelos atmosféricos existentes eram simplesmente inadequadas. Para capturar totalmente o que os dados estavam nos dizendo, refinei iterativamente a química e a física nos modelos”, disse ele. “No final, detectamos várias moléculas nesses planetas — algumas pela primeira vez, incluindo sulfeto de hidrogênio.”
Sinais claros de enxofre foram encontrados no terceiro planeta, HR 8799 c, e os pesquisadores acreditam que provavelmente também exista nos outros dois planetas internos. A equipe também descobriu que esses planetas contêm quantidades maiores de elementos pesados, como carbono e oxigênio, em comparação com sua estrela, evidência adicional de que se formaram como planetas em vez de objetos semelhantes a anãs marrons.
Repensando os Modelos de Formação Planetária
“Existem muitos modelos de formação planetária a considerar. Acho que isso mostra que os modelos de acreção de núcleo mais antigos estão desatualizados”, afirmou Quinn Konopacky, professor de Astronomia e Astrofísica da UC San Diego e outro coautor do artigo. “E, entre os modelos mais novos, estamos considerando aqueles em que gigantes gasosos podem formar núcleos sólidos bem longe de sua estrela.”
Até agora, HR 8799 continua a ser o único sistema diretamente imagado conhecido por conter quatro gigantes gasosos massivos. No entanto, outros sistemas foram encontrados com um ou dois companheiros ainda maiores, cujas origens permanecem incertas.
“Acho que a questão é, quão grande pode ser um planeta?” afirmou Ruffio. “Um planeta pode ser 15, 20, 30 vezes a massa de Júpiter e ainda ter se formado como um planeta? Onde está a transição entre a formação de planetas e a formação de anãs marrons?”
Pesquisadores continuam a explorar essas questões, estudando um sistema estelar de cada vez.
Lista parcial de autores: Jean-Baptiste Ruffio, Eve J. Lee e Quinn Konopacky (todas da UC San Diego); Jerry W. Xuan (Instituto de Tecnologia da Califórnia e UCLA); Dimitri Mawet, Aurora Kesseli, Charles Beichman, Geoffrey Bryden e Thomas P. Greene (todos do Instituto de Tecnologia da Califórnia); e Yayaati Chachan (UC Santa Cruz). A lista completa de autores aparece no artigo.
Este trabalho foi apoiado, em parte, pela Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (80NSSC25K7300 e prêmio de bolsa FINESST 80NSSC23K1434). Quaisquer opiniões, descobertas e conclusões ou recomendações expressas neste trabalho são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente as opiniões da Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço.
