Dados do Kepler revelam porque é que os exoplanetas estão a encolher

Encontrados em todo o universo, existem milhares de milhões — talvez até biliões — de exoplanetas orbitando estrelas de diferentes formas, tamanhos, cores e muito mais. Tal como as estrelas que orbitam, os exoplanetas também vêm em muitas formas, tamanhos e cores diferentes, com os cientistas classificando os exoplanetas em um de quatro grupos: gigantes gasosos, super-Terras, sub-Netunos e terrestres.

Curiosamente, entre os mais de 5.000 exoplanetas descobertos e catalogados pela NASA, pela Agência Espacial Europeia e outras agências, há uma curiosa ausência de exoplanetas que variam de 1,5 a 2 vezes o tamanho da Terra (entre super-Terras e planetas subnetunianos ). ). Num novo estudo usando dados do agora aposentado Telescópio Espacial Kepler da NASA, os cientistas podem ter encontrado uma pista sobre a razão pela qual existe esta lacuna de tamanho, onde os núcleos dos exoplanetas separam as suas atmosferas de dentro para fora.

“Os cientistas confirmaram agora a descoberta de mais de 5.000 exoplanetas, mas há menos planetas do que o esperado, variando entre 1,5 e o dobro do diâmetro da Terra. Os cientistas de exoplanetas têm agora dados suficientes para dizer que esta lacuna não é apenas uma coincidência”, disse ele. “Há algo acontecendo que impede os planetas de atingir e/ou permanecer nesse tamanho”, disse o líder científico e autor principal do Arquivo de Exoplanetas da NASA, Jesse Christiansen, do Instituto de Tecnologia da Califórnia.

Um desenho mostrando quatro tipos diferentes de exoplanetas. (Crédito: NASA/JPL-Caltech)

Como mencionado anteriormente, a diferença de tamanho dos exoplanetas situa-se entre os tamanhos das super-Terras e dos planetas subnetunianos. Os cientistas acreditam que os exoplanetas de Netuno são a causa provável da diferença de tamanho, já que estudos anteriores mostraram que os subplanetas de Netuno são vulneráveis ​​à perda de atmosfera. Os exoplanetas podem perder as suas atmosferas se não tiverem massa suficiente e, portanto, força gravitacional suficiente, para manter a sua atmosfera. Se esta teoria de perda de atmosfera estiver correta e os planetas subnetunianos não tiverem massa suficiente para reter as suas atmosferas, provavelmente encolheriam até ao tamanho de super-Terras, o que explicaria a diferença de tamanho entre super-Terras e subplanetas. Netuno.

No entanto, o processo exato pelo qual os planetas subnetunianos perdem as suas atmosferas permaneceu um mistério durante anos. As duas principais teorias são a perda de massa de energia central e a fotoevaporação. O novo estudo Kepler de Christiansen et al. Ele mostrou a prova da primeira teoria: perda de massa com energia fundamental.

Como mencionado anteriormente, a perda de massa induzida pelo núcleo é o processo pelo qual o núcleo de um planeta separa a atmosfera do planeta de dentro para fora. Este fenômeno ocorre quando a radiação do núcleo quente de um planeta interage com a atmosfera do planeta, fazendo com que a atmosfera desapareça lentamente.

Outra teoria por trás da perda de atmosfera em planetas subnetunianos é a fotoevaporação, que ocorre quando a radiação da estrela hospedeira do exoplaneta, como ventos solares e erupções, sopra a atmosfera ao redor do exoplaneta. “A radiação de alta energia da estrela age como um secador de cabelo sobre um cubo de gelo”, diz o Dr. Christiansen.

Os cientistas acreditam que a fotoevaporação ocorre durante os primeiros 100 milhões de anos de vida de um exoplaneta, enquanto se pensa que a perda de massa do núcleo ocorre muito mais tarde – cerca de mil milhões de anos após a formação do planeta. De qualquer forma, se o planeta não tiver massa suficiente, perderá a sua atmosfera e encolherá.

Impressão artística de um exoplaneta de Netuno perdendo sua atmosfera por meio da fotoevaporação. (Crédito: Observatório WM Keck/Adam Makarenko)

Durante o estudo, Christiansen et al. A equipe usou dados da missão K2 da NASA, uma missão de expansão do telescópio espacial Kepler, que foi aposentado em 2018. A equipe usou dados coletados pelo Kepler sobre os aglomerados de estrelas Praesepe e Hyades, que têm entre 600 milhões e 800 milhões de anos, respectivamente.

Dado que se pensa que estes exoplanetas têm a mesma idade da sua estrela hospedeira, Christiansen et al. Eles sabiam que se observassem exoplanetas dentro de aglomerados estelares, os planetas teriam que ter idade suficiente para sofrerem fotoevaporação, mas ainda demasiado jovens para sofrerem perda de massa de energia central. A equipe esperava que, se vissem um grande número de planetas subnetunianos nos aglomerados estelares, poderiam concluir que a fotoevaporação não ocorreu, o que significa que a perda de massa devido à energia fundamental seria a principal explicação por trás da perda de atmosfera em sub-Netunianos. Planetas netunianos.

Então, o que a equipe encontrou nos dados do K2?

Christiansen et al. Descobriu-se que quase todas as estrelas de Praecipe e Haades ainda contêm planetas subnetunianos ou outros exoplanetas com atmosferas em órbita à sua volta. Depois de investigar os tamanhos dos exoplanetas em torno das estrelas, a equipa acredita que muitos exoplanetas ainda têm as suas atmosferas.

A presença destes exoplanetas em torno destas estrelas difere das estrelas mais antigas observadas por K2, que tinham mais de 800 milhões de anos. Destas estrelas mais antigas, descobriu-se que apenas 25% tinham sub-Neptunos nas suas órbitas. Curiosamente, as idades mais antigas destas estrelas estão mais próximas do período de tempo em que se pensa que ocorre a perda de massa de energia fundamental.

Uma imagem do aglomerado de estrelas Praecipe. (Crédito: Stuart Heggie)

Os resultados de Christiansen et al. permitiram à equipe concluir que a fotoevaporação não poderia ocorrer dentro de Prasepe e Hyades, pois haveria muito poucos exoplanetas com atmosferas dentro dos aglomerados de estrelas se ocorresse a fotoevaporação. Isto significa que a perda de massa devido à energia fundamental é a principal teoria por trás da perda atmosférica em planetas subnetunianos.

Foram necessários Christiansen et al. Demorou mais de cinco anos para criar o catálogo de exoplanetas que foi utilizado neste estudo. Embora as descobertas da equipe sejam certamente reveladoras, ainda há muito a aprender sobre a fotoevaporação e a perda de massa da energia central. Além disso, os próximos estudos sobre planetas próximos a Netunianos e a perda atmosférica em exoplanetas colocarão à prova as descobertas de Christiansen et al.

Os resultados de Christiansen et al. foram publicados em Revista astronômica Em 15 de novembro.

(Imagem principal: Impressão artística do exoplaneta sub-Netuno TOI-421 b. Crédito da imagem: NASA, ESA, CSA e D. Player (STScI))