Planetas, como os do nosso sistema solar, se formam em um processo de baixo para cima, onde pequenos pedaços de rocha e gelo se agrupam e crescem ao longo do tempo. Mas quanto mais massivo o planeta, mais difícil é explicar sua formação dessa maneira.
Astrônomos usaram o Telescópio Espacial James Webb da NASA para examinar 29 Cygni b, um objeto cerca de 15 vezes mais massivo que Júpiter, orbitando uma estrela próxima. Eles encontraram múltiplas linhas de evidência de que 29 Cygni b realmente se formou a partir desse processo de baixo para cima, trazendo novas percepções sobre como os planetas mais massivos se formam. Um artigo descrevendo essas descobertas foi publicado na terça-feira em The Astrophysical Journal Letters .
O processo de formação de planetas é amplamente entendido como ocorrendo dentro de discos gigantes de gás e poeira ao redor das estrelas, através de um processo chamado acreção. A poeira se aglomera em seixos, que colidem e crescem cada vez mais, formando protoplanetas e, eventualmente, planetas. Os maiores então coletam gás para se tornarem gigantes como Júpiter. Como leva mais tempo para os gigantes gasosos se formarem, e o disco de material formador de planetas eventualmente evapora e desaparece, os sistemas planetários acabam com muitos mais planetas pequenos do que grandes.
Em contraste, as estrelas se formam quando uma vasta nuvem de gás se fragmenta e cada pedaço colapsa sob sua própria gravidade, tornando-se menor e mais denso. Um processo de fragmentação semelhante poderia teoricamente ocorrer dentro de discos protoplanetários também. Isso poderia explicar por que alguns objetos muito massivos são encontrados bilhões de milhas de suas estrelas hospedeiras, em regiões onde o disco protoplanetário deveria ter sido muito tênue para que a acreção ocorresse.
Imagem: Exoplaneta 29 Cygni b (Imagem NIRCam)
Astrônomos usaram o Telescópio Espacial James Webb da NASA para obter imagens diretas de 29 Cygni b, que pesa 15 vezes Júpiter. Eles encontraram evidências de elementos químicos pesados como carbono e oxigênio, o que sugere fortemente que se formou como um planeta por acreção dentro de um disco protoplanetário.
Imagem: NASA, ESA, CSA, William Balmer (JHU, STScI), Laurent Pueyo (STScI); Processamento de Imagem: Alyssa Pagan (STScI)
29 Cygni b está na linha divisória entre o que pode ser explicado por esses dois mecanismos diferentes. Pesa 15 vezes Júpiter e orbita sua estrela a uma distância média de 1,5 bilhão de milhas (2,4 bilhões de quilômetros), aproximadamente a mesma que Urano em nosso sistema solar. A equipe de pesquisa a escolheu porque poderia potencialmente resultar de qualquer um dos processos.
“Nos modelos computacionais, é muito fácil para a fragmentação em um disco se descontrolar para massas muito maiores do que 29 Cygni b. Esta é a menor massa que você poderia plausivelmente obter. Mas, ao mesmo tempo, é cerca da maior massa que você poderia obter por acreção,” disse o autor principal William Balmer da Universidade Johns Hopkins e do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial, ambos em Baltimore.
O programa de observação de Balmer usou a NIRCam (Câmera de Infravermelho Próximo) do Webb em seu modo coronográfico para obter imagens diretas de 29 Cygni b. Este planeta foi o primeiro de quatro objetos almejados pelo programa, todos os quais são conhecidos por pesar entre 1 e 15 vezes mais que Júpiter. A equipe também exigiu que seus alvos orbitassem a cerca de 9 bilhões de milhas (15 bilhões de quilômetros) de suas estrelas.
Os planetas eram todos jovens e ainda quentes de sua formação, com temperaturas variando de cerca de 1.000 a 1.900 graus Fahrenheit (530 a 1.000 graus Celsius). Isso garantiria que sua química atmosférica fosse semelhante à dos planetas de HR 8799, cujo sistema Balmer estudou anteriormente .
Ao escolher filtros apropriados, a equipe conseguiu procurar sinais de luz sendo absorvida por dióxido de carbono (CO2) e monóxido de carbono (CO), o que lhes permitiu determinar a quantidade desses elementos químicos mais pesados, que os astrônomos coletivamente chamam de metais.
Eles encontraram fortes evidências de que 29 Cygni b é enriquecido em metais em relação à sua estrela hospedeira, que é semelhante ao nosso Sol em sua composição. Dada a massa do planeta, a quantidade de elementos pesados que ele contém é equivalente a cerca de 150 Terras. Isso sugere que ele acumulou grandes quantidades de sólidos enriquecidos em metais de um disco protoplanetário.
Imagem: Exoplaneta 29 Cygni b (Conceito do Artista)
O exoplaneta 29 Cygni b, visto neste conceito do artista, é um gigante gasoso pesando cerca de 15 vezes a massa de Júpiter. Astrônomos estudaram 29 Cygni b com o Telescópio Espacial James Webb da NASA. Eles determinaram que provavelmente se formou por acreção em vez de fragmentação do disco.
Ilustração: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
A equipe também usou uma matriz de telescópios ópticos de solo chamada CHARA (Centro para Astronomia de Alta Resolução Angular) para determinar se a órbita do planeta está alinhada com a rotação da estrela. Eles confirmaram esse alinhamento, que seria esperado para um objeto que se formou a partir de um disco protoplanetário.
“Conseguimos atualizar a órbita do planeta e também observamos a estrela hospedeira para determinar sua orientação em relação a essa órbita,” disse Ash Messier, coautor e estudante de pós-graduação da Universidade Johns Hopkins. “Mostramos que a inclinação do planeta está bem alinhada com o eixo de rotação da estrela, o que é semelhante ao que vemos para os planetas do nosso sistema solar.”
“Juntas, essas evidências sugerem fortemente que 29 Cygni b se formou dentro de um disco protoplanetário através da rápida acreção de material rico em metais, em vez de através da fragmentação de gás,” disse Balmer. “Em outras palavras, formou-se como um planeta e não como uma estrela.”
À medida que a equipe coleta dados sobre os outros três alvos dentro de seu programa, eles planejam procurar evidências de diferenças composicionais entre os planetas de menor e maior massa. Isso deve fornecer percepções adicionais sobre seus mecanismos de formação.
O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório de ciência espacial do mundo. O Webb está resolvendo mistérios em nosso sistema solar, olhando além para mundos distantes ao redor de outras estrelas e investigando as estruturas e origens misteriosas do nosso universo e nosso lugar nele. O Webb é um programa internacional liderado pela NASA com seus parceiros, ESA (Agência Espacial Europeia) e CSA (Agência Espacial Canadense).
Para saber mais sobre o Webb, visite:
https://science.nasa.gov/webb
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Exoplaneta 29 Cygni b (Imagem NIRCam)
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Exoplaneta 29 Cygni b (Conceito do Artista)
O exoplaneta 29 Cygni b, visto neste conceito do artista, é um gigante gasoso pesando cerca de 15 vezes a massa de Júpiter. Astrônomos estudaram 29 Cygni b com o Telescópio Espacial James Webb da NASA. Eles determinaram que provavelmente se formou por acreção em vez de fragmentação do disco.