V1298 Tau mostra planetas inchados de baixa densidade

Astrónomos mediram quatro planetas em órbita de uma estrela jovem e descobriram que eles são muito maiores do que a massa permitiria supor, colocando-os entre os planetas de menor densidade já “pesados” de forma direta.

Esse descompasso aponta para um intervalo curto, mas crucial, em que planetas comuns permanecem inchados por gás antes de se contraírem e assumirem os tamanhos menores observados pela galáxia.

Registo inicial da formação de planetas

O resultado gira em torno de V1298 Tau, uma estrela ainda jovem cujos planetas, em órbitas compactas, guardam um retrato de uma fase precoce do crescimento planetário.

Ao acompanhar como esses mundos repetidamente saíam do ritmo uns com os outros, John Livingston, do Centro de Astrobiologia, conseguiu determinar as massas reais enquanto o sistema ainda preservava grande parte das suas características originais.

O facto de serem tão grandes para a massa que têm é compatível com calor remanescente e atmosferas espessas que ainda não se dissiparam nesse sistema recente.

Trata-se de uma etapa passageira que precisa de ser entendida antes de comparar esses planetas com as versões mais compactas em que tendem a se transformar.

Como medir a massa de um planeta

Estrelas jovens costumam ser muito ativas: erupções frequentes e manchas estelares atrapalham medições de “oscilação” da estrela, o que torna menos fiável pesar planetas apenas pelo efeito que eles exercem sobre a estrela.

Para contornar isso, a equipa de Livingston observou trânsitos - quedas rápidas no brilho quando um planeta passa à frente da estrela - e registou, ao minuto, o instante central de cada queda ao longo de muitas voltas.

Esses instantes não ficaram fixos, porque os planetas vizinhos exercem puxões mútuos que, com o tempo, esticam e comprimem cada órbita em pequenas frações.

Com essas variações no tempo de trânsito (TTVs), pequenos adiantamentos e atrasos na agenda dos trânsitos, os investigadores obtiveram as massas sem depender da oscilação estelar.

Planetas “fofos” têm menos massa

Quando os desvios de tempo foram convertidos em massa, os planetas mostraram-se muito mais leves do que as suas silhuetas inchadas sugeriam.

Embora cada mundo tivesse entre cinco e dez vezes o tamanho da Terra, a massa era apenas de cinco a quinze vezes maior.

A discrepância indica envoltórios gasosos volumosos à volta de núcleos pequenos, o que reduz drasticamente a densidade média nas fases iniciais da evolução.

Como as massas dos planetas mais externos ainda tinham grandes incertezas, os investigadores trataram as estimativas de densidade mais detalhadas como provisórias por enquanto.

O calor infla planetas jovens

Planetas recém-formados tendem a permanecer dilatados porque gás quente ocupa mais volume, sobretudo quando a gravidade ainda é relativamente modesta no começo.

Nesse sistema, hidrogénio e hélio criaram camadas espessas em torno de cada núcleo, e o calor manteve esse gás expandido em vez de comprimido. À medida que o disco protoplanetário da estrela foi afinando, o gás externo perdeu sustentação e começou a expandir-se para fora.

Os autores descreveram um arrefecimento rápido depois que o disco se dissipou, preparando o cenário para uma contração acelerada, em vez de um ajuste lento ao longo do tempo.

A luz da estrela remove gás

A mesma juventude que deixou as atmosferas dilatadas também as submeteu a radiação intensa e constante vinda das camadas superiores da estrela.

Em muitos sistemas, a fotoevaporação - quando luz estelar de alta energia aquece o gás até ele escapar - remove primeiro os gases mais leves de planetas mais próximos.

Como esses planetas começaram muito grandes, perder mesmo uma parcela modesta de gás pode reduzir o tamanho de forma rápida e perceptível.

O quanto ainda vão encolher depende da actividade futura da estrela, algo que a equipa não consegue prever com segurança hoje.

Planetas encolhem de formas diferentes

Com o passar do tempo, os modelos indicaram que esses mundos acabariam entre 1.5 e 4.0 vezes o raio da Terra.

Um desfecho frequente é uma super-Terra - um planeta rochoso maior do que a Terra, mas menor do que Netuno - que sobra depois que quase todo o gás é perdido.

Há um intervalo bem medido na distribuição de tamanhos planetários, que aparece quando alguns mundos perdem gás depressa enquanto vizinhos o retêm por mais tempo.

Os que resistem tornam-se sub-Netunos, planetas pequenos que preservam uma camada fina de hidrogénio - e V1298 Tau exibe essa fase em andamento agora.

Órbitas planetárias calmas

As órbitas apertadas geraram variações no tempo de trânsito que se acumulavam por horas, criando sinais fortes para modelagem detalhada.

Como os planetas estão perto de razões orbitais simples, cada aproximação acrescentava um empurrão previsível, em vez de produzir um comportamento caótico.

Além disso, as trajectórias mantiveram-se quase perfeitamente circulares, o que vai contra a ideia de espalhamento violento recente ou de colisões grandes.

Essa configuração tranquila restringe a história possível do sistema, embora outros sistemas jovens ainda possam ser remodelados por instabilidade mais tarde.

O nosso sistema é incomum

No Sistema Solar não há planetas muito próximos do Sol com tamanhos entre a Terra e Netuno, apesar de astrónomos os encontrarem com frequência em torno de estrelas semelhantes noutros lugares.

Um relatório das Academias Nacionais destacou que muitas estrelas abrigam planetas pequenos em órbitas ainda mais internas do que a de Mercúrio, evidenciando bem a discrepância.

Se V1298 Tau for um retrato de uma etapa inicial, então muitos sistemas maduros podem ter passado por um período inicial de “emagrecimento” violento também.

Essa ligação oferece uma hipótese testável para explicar por que os nossos planetas ficaram separados por grandes intervalos, enquanto outros sistemas permanecem compactos e densamente povoados.

O que os astrónomos podem acompanhar a seguir

Observações futuras podem indicar se os planetas ainda estão a perder gás ou se as suas atmosferas já entraram num regime estável.

Medições atmosféricas também podem quantificar quanto hidrogénio persiste, já que esse gás deixa assinaturas específicas na luz da estrela.

O acompanhamento contínuo deve reduzir as incertezas nas massas dos planetas externos, o que determina quão fortemente o gás fica preso nessas regiões.

Mesmo com dados melhores, um único sistema não representa todas as trajectórias possíveis, mas pode esclarecer as primeiras etapas.

V1298 Tau conecta mundos jovens e inchados aos planetas compactos que os astrónomos observam com frequência, e os seus sinais de temporização tornaram essa ponte mensurável.

Novas campanhas de variações no tempo de trânsito e de observação atmosférica devem mostrar com que rapidez esses planetas “desincham” e quais acabarão como mundos rochosos versus os que permanecerão ricos em gás.

Crédito da imagem: Centro de Astrobiologia