Astros com desidade semelhande ao de algodão-doce desafiam compreensão de formação de planetas. Nuvens espessas impedem observações até do James Webb.
Um exoplaneta de densidade tão baixa leve que flutuaria na água esconde seus segredos sob uma camada de nuvens mais espessa do que qualquer outra já vista em um planeta. Nem mesmo o Telescópio Espacial James Webb (JWST) consegue penetrar as nuvens.
“Esses planetas de densidade ultrabaixa são raros e desafiam a compreensão convencional de como os gigantes gasosos se formam”, disse Jessica Libby-Roberts, da Universidade de Tampa, na Flórida, em um comunicado . “E se explicar como um deles se formou já não fosse difícil o suficiente, este sistema tem três!”
Exoplanetas Kepler-51d é um membro de um sistema de quatro planetas que orbitam uma estrela jovem semelhante ao Sol, a 2.615 anos-luz. Eles foram descobertos pelo Telescópio Espacial Kepler, da NASA , que observou os planetas transitando por sua estrela. A partir da quantidade de luz bloqueada durante os trânsitos, os astrônomos deduziram o tamanho dos planetas. Pelas variações no tempo de trânsito (a maneira como a gravidade de cada planeta influencia os outros, variando exatamente quando eles são vistos transitando), suas massas foram medidas.
Se os planetas 51b, c e d fossem transportados para nosso Sistema Solar, estariam todos concentrados dentro da órbita de Vênus. Eles têm 7,1, 9,0 e 9,7 vezes o raio da Terra, respectivamente – o que os torna aproximadamente do tamanho de Saturno. No entanto, suas massas são apenas 3,7, 5,6 e 5,6 vezes maiores que a da Terra, respectivamente. Saturno, para comparação, tem massa 95 vezes maior que a da Terra.
Portanto, esses mundos têm tamanho semelhante ao de Saturno, mas têm muito menos massa. Muito mesmo.
O quarto planeta do sistema, e, foi descoberto apenas em 2024 e sua massa e raio ainda não foram medidos com precisão.
Algodão-doce Kepler-51d e outros mundos de densidade ultrabaixa são completamente estranhos aos planetas do nosso próprio Sistema Solar. Júpiter e Saturno possuem núcleos grandes, densos e bem definidos, dez vezes mais massivos que a Terra. Esses núcleos se formaram primeiro e, em seguida, sua força gravitacional atraiu massas de gás do disco planetário que circundava o Sol há 4,5 bilhões de anos.
Em contraste, os mundos de densidade ultrabaixa de Kepler-51 “têm núcleos minúsculos e atmosferas enormes, o que lhes confere uma densidade semelhante à do algodão-doce”, disse Libby-Roberts. E não está claro como esses pequenos núcleos poderiam ter acumulado quantidades relativamente grandes de gás.
Em 2020, quando Libby-Roberts estava na Universidade Estadual da Pensilvânia, ela liderou uma equipe para observar o sistema Kepler-51 espectroscopicamente usando a Câmera de Campo Amplo 3 do Telescópio Espacial Hubble. O objetivo era procurar indícios da composição química da atmosfera dos planetas, o que poderia fornecer pistas sobre a que distância de sua estrela esses mundos se formaram e como se tornaram tão tênues. Pela baixa densidade, sem dúvida são ricos em hidrogênio e hélio – os elementos mais leves e mais comuns do universo -, mas os vários gases presentes apenas em traços em sua atmosfera podem nos dizer mais sobre sua origem.
No entanto, o Hubble não encontrou nenhum sinal de reação química, levando a equipe a suspeitar que poderia haver uma névoa sem características distintivas cobrindo a atmosfera dos planetas.
Agora, Libby-Roberts retornou ao sistema Kepler-51, usando o Espectrômetro de Infravermelho Próximo (NIRSpec) do JWST. O objetivo era detectar a composição química da atmosfera de Kepler-51d por meio da espectroscopia de trânsito. Quando o planeta passa em frente à estrela, parte da luz desta filtra-se pela atmosfera. Quaisquer moléculas presentes podem absorver certos comprimentos de onda da luz da estrela, o que deve aparecer no espectro estelar como linhas de absorção.
“A luz de uma estrela é filtrada pela atmosfera do planeta antes de chegar aos nossos telescópios”, disse ela. “Se observarmos uma gama de comprimentos de onda, um espectro, obtemos uma espécie de impressão digital da atmosfera do planeta que revela sua composição.” O artigo com as medições foi publicado em 16 de março no The Astrophysical Journal.
No entanto, o espectro ainda não mostrou sinais da composição química da atmosfera, o que significa que a névoa presente deve ser a mais densa já encontrada em um exoplaneta. Nem mesmo o NIRSpec, que opera em comprimentos de onda maiores que o Hubble, consegue enxergá-la.
Incógnita “Parece muito semelhante à névoa que vemos em Titã , a maior lua de Saturno , que contém hidrocarbonetos como o metano, mas em uma escala muito maior”, disse Suvrath Mahadevan, co-pesquisador da Penn State. “Kepler-51d parece ter uma quantidade enorme de névoa, quase do tamanho da Terra.”
Atualmente, não existem modelos de formação planetária que expliquem como mundos de densidade tão baixa podem se formar, especialmente tão perto de sua estrela. “É possível que [51d] tenha se formado mais longe e se movido para dentro, mas ainda temos muitas perguntas sobre como este planeta – e os outros planetas deste sistema – se formaram”, disse Libby-Roberts.
É possível que estejamos observando esses planetas em uma fase transitória. O sistema tem meio bilhão de anos, muito jovem em comparação com o nosso, que tem 4,5 bilhões de anos. Por ser jovem, a estrela Kepler-51 ainda é bastante ativa e seu vento estelar está removendo os gases externos dos planetas de densidade ultrabaixa. Talvez, se observarmos daqui a um bilhão de anos, grande parte do gás de cada planeta terá sido removida, restando apenas um pequeno núcleo.
Algumas respostas ainda podem estar por vir. Uma equipe separada está realizando observações do Kepler-51b com o NIRSpec para tentar encontrar evidências da composição da atmosfera. Eles podem descobrir que ele também está coberto por neblina, mas, se tiverem sucesso, as pistas fornecidas por essas observações também podem ser aplicáveis aos irmãos do sistema.
Em seguida, as medições de Kepler-51d são relatadas na edição de 16 de março do The Astronomical Journal .