Cientistas descobrem novo exoplaneta semelhante a Neptuno

Uma equipa internacional de colaboradores, incluindo cientistas do JPL da NASA e da Universidade do Novo México, descobriram um novo exoplaneta temperado, do tamanho de Neptuno, com um período orbital de 24 dias orbitando uma estrela anã M próxima.

A descoberta recente fornece oportunidades empolgantes de pesquisa graças à atmosfera substancial do planeta, à pequena estrela que orbita e à velocidade a que o sistema se afasta da Terra.

A investigação será publicada numa edição futura da revista The Astronomical Journal. O exoplaneta, TOI-1231 b, foi detetado usando dados fotométricos do TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) e seguido por observações com o PFS (Planet Finder Spectrograph) no telescópio Magellan Clay do Observatório Las Campanas, Chile.

O PFS é um instrumento sofisticado que deteta exoplanetas por meio da sua influência gravitacional sobre as suas estrelas hospedeiras. À medida que os planetas orbitam as suas estrelas-mãe, as velocidades estelares medidas variam periodicamente, revelando a presença planetária e informações sobre a sua massa e órbita.

A estratégia de observação adotada pelo TESS da NASA, que divide cada hemisfério em 13 sectores que são investigados durante aproximadamente 28 dias, está a produzir a pesquisa mais abrangente de todo o céu para planetas em trânsito.

Esta abordagem já provou a sua capacidade de detetar planetas grandes e pequenos em torno de estrelas que vão desde aquelas semelhantes ao Sol até estrelas anãs M de baixa massa.

As estrelas anãs M, também conhecidas como anãs vermelhas, são o tipo mais comum de estrela na Via Láctea, constituindo cerca de 70% de todas as estrelas da Galáxia. As anãs M são mais pequenas, possuem uma fração da massa do Sol e têm baixa luminosidade.

Dado que uma anã M é mais pequena, quando um planeta de um determinado tamanho transita a estrela, a quantidade de luz que é bloqueada é maior, tornando o trânsito mais facilmente detetável.

Imagine um planeta parecido com a Terra passando em frente de uma estrela do tamanho do Sol: vai bloquear uma pequena parte da sua luz; mas se estiver a passar à frente de uma estrela muito menor, a proporção de luz bloqueada será maior. Em determinado sentido, isto cria uma sombra maior à superfície da estrela, tornando os planetas ao redor das anãs M mais fáceis de detetar e de estudar.

Embora permita a deteção de exoplanetas no céu, a estratégia do levantamento do TESS também produz tendências observacionais significativas com base no período orbital. Os exoplanetas devem transitar as suas estrelas hospedeiras pelo menos duas vezes dentro do intervalo de observação do TESS para serem detetados com o período correto pelo SPOC (Science Processing Operations Center) e pelo QLP (Quick Look Pipeline), que “vasculham” a cadência de dados do TESS de 2 e 30 minutos, respetivamente.

Dado que 74% da cobertura total do céu pelo TESS é apenas observada durante 28 dias, a maioria dos exoplanetas detetados pelo TESS têm períodos inferiores a 14 dias. TOI-1231 b tem um período de 24 dias, o que, portanto, torna a sua descoberta ainda mais valiosa.

Jennifer Burt, cientista no JPL da NASA, autora principal do artigo científico, juntamente com os seus colaboradores, incluindo Diana Dragomir, professora assistente do Departamento de Física e Astronomia da Universidade do Novo México, mediram o raio e a massa do planeta.

“Trabalhando com um grupo de excelentes astrónomos espalhados pelo globo, fomos capazes de reunir os dados necessários para caracterizar a estrela hospedeira e medir o raio e a massa do planeta,” disse Burt.

“Esses valores, por sua vez, permitiram-nos calcular a densidade do planeta e teorizar sobre a sua composição. TOI-1231 b é muito semelhante em tamanho e densidade a Neptuno, de modo que achamos que tem uma atmosfera gasosa similarmente grande.”

“Outra vantagem dos exoplanetas que orbitam anãs M é que podemos medir as suas massas com mais facilidade porque a proporção entre a massa do planeta e a massa da estrela é também maior. Quando a estrela é mais pequena e menos massiva, os métodos de deteção funcionam melhor porque o planeta de repente desempenha um papel maior, destacando-se mais facilmente em relação à estrela,” explicou Dragomir. “Tal como a sombra projetada na estrela. Quanto menor a estrela, menos massiva é, maior o efeito do planeta que pode ser detetado.”

“Embora TOI-1231 b esteja oito vezes mais perto da sua estrela do que a Terra está do Sol, a sua temperatura é parecida à da Terra, graças à estrela hospedeira que é mais fria e menos brilhante,” diz Dragomir. “No entanto, o próprio planeta é realmente maior do que a Terra e um pouco mais pequeno que Neptuno – poderíamos chamá-lo de sub-Neptuno.”

Burt e Dragomir, que na verdade iniciaram esta investigação enquanto bolsistas no Instituto Kavli do MIT, trabalharam com cientistas especializados em observar e caracterizar as atmosferas de planetas pequenos para descobrir quais as missões espaciais, atuais e futuras, que poderiam ser capazes de examinar as camadas exteriores de TOI-1231 b para informar as investigadoras exatamente quais os tipos de gases que estão presentes no planeta. Com uma temperatura de mais ou menos 330 K, TOI-1231 b é um dos exoplanetas pequenos e mais frios, acessíveis para estudos atmosféricos, descobertos até agora.

Investigações anteriores sugeriram que planetas tão frios podem ter nuvens no alto da sua atmosfera, o que torna difícil a determinação dos gases que o rodeiam. Mas novas observações de outro planeta pequeno e frio, chamado K2-18 b, quebraram esta tendência e mostraram evidências de água na sua atmosfera, surpreendendo muitos astrónomos.

“TOI-1231 b é um dos únicos outros planetas que conhecemos com tamanho e gama de temperaturas semelhantes, de modo que observações futuras deste novo planeta vão permitir determinar o quão comum (ou rara) é a formação de nuvens de água nestes mundos temperados”, disse Burt.

Além disso, com o alto brilho no infravermelho próximo da estrela hospedeira, é um alvo excitante para futuros estudos com o Telescópio Espacial Hubble e com o Telescópio Espacial James Webb. O primeiro conjunto destas observações, liderado por um dos coautores do artigo, deverá ocorrer no final deste mês usando o Telescópio Espacial Hubble.

“A baixa densidade de TOI-1231 b indica que é cercado por uma atmosfera substancial, em vez de ser um planeta rochoso. Mas a composição e a extensão desta atmosfera são desconhecidas! disse Dragomir. “TOI-1231 b pode ter uma atmosfera de hidrogénio ou de hidrogénio-hélio, ou uma atmosfera mais densa de vapor de água. Cada uma delas apontaria para uma origem diferente, permitindo aos astrónomos entender se e como os planetas se formam de maneira diferente em torno de anãs M quando comparados com os planetas que orbitam o nosso Sol, por exemplo. As nossas próximas observações com o Hubble vão começar a responder a estas perguntas, e o James Webb promete uma análise ainda mais completa da atmosfera do planeta.”

Outra forma de estudar a atmosfera do planeta é investigar se o gás está a ser soprado para longe, procurando evidências de átomos como hidrogénio e hélio em torno do planeta enquanto transita pela face da sua estrela-mãe. Geralmente, os átomos de hidrogénio são quase impossíveis de detetar porque a sua presença é mascarada pelo gás interestelar. Mas este sistema planeta-estrela fornece uma oportunidade única de aplicar este método devido à velocidade com que se afasta da Terra.

“Um dos resultados mais intrigantes das últimas duas décadas de ciência exoplanetária é que, até agora, nenhum dos novos sistemas planetários que descobrimos se parece com o nosso próprio Sistema Solar,” disse Burt.

“Mas estão repletos de planetas entre o tamanho da Terra e Neptuno em órbitas muito mais íntimas do que a de Mercúrio, de modo que não temos nenhum exemplo local para comparação. Este novo planeta que descobrimos ainda é estranho – mas está um passo mais perto de ser um pouco como os planetas na nossa vizinhança solar. Em comparação com a maioria dos planetas detetados até agora com o método de trânsito, que muitas vezes têm temperaturas escaldantes na casa das centenas ou milhares de graus, TOI-1231 b é positivamente frígido.”

Para concluir, Dragomir reflete que “este planeta junta-se às fileiras de apenas dois ou três outros pequenos exoplanetas que serão examinados a cada chance que tivermos usando uma ampla gama de telescópios, durante anos a fio, de modo que fique atento a novos desenvolvimentos no que toca a TOI-1231 b!”.