Exoplanetas tipo-Júpiter encontrados no “ponto ideal” da maioria dos sistemas planetários

À medida que os planetas se formam no turbilhão de gás e poeira em torno de estrelas jovens, parece haver um ponto ideal onde a maioria dos grandes gigantes gasosos, como Júpiter, se reúnem, centrados na órbita onde Júpiter está hoje no nosso próprio Sistema Solar.

A localização deste ponto ideal está a 3-10 vezes a distância que a Terra fica do nosso Sol (3-10 UA, ou unidades astronómicas). Júpiter está a 5,2 UA do nosso Sol.

Esta é apenas uma das conclusões de uma análise sem precedentes de 300 estrelas estudadas pelo GPI (Gemini Planet Imager), um detetor infravermelho sensível montado no Telescópio Gemini Sul de 8 metros no Chile.

O GPI Exoplanet Survey, ou GPIES, é um de dois grandes projetos que procuram exoplanetas diretamente, bloqueando a luz estelar e fotografando os próprios planetas, em vez de procurar oscilações na estrela – o método de velocidade radial – ou planetas que passam em frente da estrela – a técnica de trânsito. A câmara GPI é sensível ao calor emitido por planetas recém-formados e anãs castanhas, que são mais massivas do que os planetas gigantes gasosos, mas ainda pequenas demais para despoletar a fusão e assim tornarem-se estrelas.

A análise das primeiras 300, entre mais de 500 estrelas investigadas pelo GPIES, publicada na edição de 12 de junho da revista The Astronomical Journal, “é um marco,” disse Eugene Chiang, professor de astronomia da Universidade da Califórnia em Berkeley e membro do grupo teórico da colaboração. “Agora temos excelentes estatísticas da frequência com que os planetas ocorrem, a sua distribuição de massa e quão longe estão das suas estrelas. É a análise mais abrangente que já vi neste campo.”

O estudo complementa investigações exoplanetárias anteriores através da contagem de planetas entre 10 e 100 UA, uma gama na qual é improvável que as observações de trânsitos pelo Telescópio Espacial Kepler e observações de velocidade radial detetem planetas. Foi liderado por Eric Nielsen, investigador do Instituto Kavli para Astrofísica de Partículas e Cosmologia da Universidade de Stanford e envolveu mais de 100 investigadores de 40 instituições de todo o mundo.

Um novo planeta, uma nova anã castanha

Desde que o levantamento GPIES começou há cinco anos, que a equipa fotografou seis planetas e três anãs castanhas em órbita destas 300 estrelas. A equipa estima que cerca de 9% das estrelas massivas têm gigantes gasosos entre 5 e 13 massas de Júpiter para lá das 10 UA, e menos de 1% têm anãs castanhas entre 10 e 100 UA.

O novo conjunto de dados fornece informações importantes sobre como e onde os objetos massivos se formam nos sistemas planetários.

“À medida que nos afastamos da estrela central, os planetas gigantes tornam-se mais frequentes. Mais ou menos a 3-10 UA, a taxa de ocorrência aumenta,” disse Chiang.

“Sabemos que este pico ocorre porque o Kepler e os levantamentos via velocidade radial observam um aumento nesta taxa, indo de Júpiteres quentes muito próximos da estrela a Júpiteres a algumas unidades astronómicas da estrela. O GPI preencheu a outra extremidade, indo de 10 a 100 UA, e descobrindo que a taxa de ocorrência cai; os planetas gigantes são encontrados mais frequentemente a 10 do que a 100. Se combinarmos tudo, há um ponto ideal para a ocorrência de planetas gigantes a 3-10 UA.”

“Com observatórios futuros, particularmente o TMT (Thirty-Meter Telescope) e missões espaciais ambiciosas, começaremos a fotografar os planetas que residem no local ideal para estrelas parecidas com o Sol,” disse o membro da equipa, Paul Kalas, professor adjunto de astronomia da Universidade da Califórnia em Berkeley.

O levantamento exoplanetário descobriu apenas um planeta anteriormente desconhecido – 51 Eridani b, com quase três vezes a massa de Júpiter – e uma anã castanha anteriormente desconhecida – HR 2562 B, com aproximadamente 26 vezes a massa de Júpiter. Nenhum dos planetas gigantes fotografados estão em redor de estrelas parecidas com o Sol. Ao invés, os planetas gigantes gasosos foram descobertos apenas em torno de estrelas mais massivas, pelo menos 50% maiores do que o nosso Sol, ou 1,5 massas solares.

“Tendo em conta o que nós e outros levantamentos vimos até agora, o nosso Sistema Solar não se parece com outros sistemas solares,” comentou Bruce Macintosh, investigador principal do GPI e professor de física em Stanford. “Não temos tantos planetas acondicionados tão próximos do Sol quanto outras estrelas e agora temos mais evidências de que somos raros devido à existência destes planetas tipo-Júpiter e ainda maiores.”

“O facto de os planetas gigantes serem mais comuns em estrelas mais massivas do que estrelas parecidas com o Sol é um enigma interessante,” disse Chiang.

Dado que muitas estrelas visíveis no céu noturno são jovens e massivas, chamadas estrelas A, isto significa que “as estrelas que vemos no céu noturno à vista desarmada são mais propensas a ter planetas com massas tipo-Júpiter em seu redor do que as estrelas mais ténues para as quais precisamos de telescópios,” disse. “Isto é interessante.”

A análise também mostra que planetas gigantes gasosos e anãs castanhas, embora aparentemente num continuum de massa crescente, podem ser duas populações distintas formadas de diferentes maneiras. Os gigantes gasosos até cerca de 13 vezes a massa de Júpiter parecem ter sido formados por acreção de gás e poeira em objetos mais pequenos – de baixo para cima. As anãs castanhas, entre 13 e 80 vezes a massa de Júpiter, formaram-se como estrelas, por colapso gravitacional – de cima para baixo – dentro da mesma nuvem de gás e poeira que deu origem às estrelas.

“Penso que esta é a evidência mais clara de que estes dois grupos de objetos, planetas e anãs castanhas, formam-se de modo diferente,” explicou Chiang.

Fotografia direta é o futuro

O GPI pode fotografar planetas em torno de estrelas distantes graças à extrema ótica adaptativa, que deteta rapidamente a turbulência na atmosfera e reduz a desfocagem ajustando a forma de um espelho flexível.

O instrumento deteta o calor de corpos ainda a brilhar graças à sua própria energia interna, como exoplanetas grandes, entre 2 e 13 vezes a massa de Júpiter, e jovens, com menos de 100 milhões de anos, em comparação com a idade do nosso Sol de 4,6 mil milhões de anos. Apesar de bloquear a maior parte da luz da estrela central, o brilho ainda limita o GPI a observar apenas planetas e anãs castanhas longe das estrelas que orbitam, entre 10 e 100 UA.

A equipa planeia analisar os dados das estrelas restantes da investigação, na esperança de obter mais informações sobre os tipos e tamanhos mais comuns de planetas e anãs castanhas. Chiang salientou que o sucesso do GPIES mostra que a observação direta tornar-se-á cada vez mais importante no estudo dos exoplanetas, especialmente para entender a sua formação.

“A observação direta é a melhor maneira de estudar planetas jovens,” acrescentou. “Quando os planetas jovens estão a ser formados, as suas estrelas jovens são demasiado ativas, demasiado ‘nervosas’, para que os métodos de velocidade radial ou de trânsito funcionem facilmente. Mas com imagens diretas, é ver para crer.”