Descoberta de 'Super-Júpiteres' gigantes intriga cientistas.

Júpiter pode ser o “rei” dos planetas no nosso Sistema Solar, mas, em outros sistemas estelares espalhados pela galáxia, existem planetas ainda maiores circulando a distâncias gigantescas de suas estrelas - regiões em que as teorias tradicionais de formação têm dificuldade para explicar como esses mundos surgem.

HR 8799 e os gigantes gasosos observados pelo JWST

Um novo estudo investigou a química atmosférica de três gigantes gasosos extremamente massivos a cerca de 130 anos-luz, buscando entender como planetas tão enormes conseguem se formar.

O alvo foi o sistema HR 8799, cuja estrela hospedeira é uma estrela do tipo F na constelação de Pégaso. Nesse sistema, quatro gigantes gasosos já são conhecidos, todos colossais, com aproximadamente 5 a 10 vezes a massa de Júpiter.

Esses planetas ocupam órbitas muito afastadas: entre 15 e 70 unidades astronômicas (UA), o equivalente a cerca de 2 a 10 bilhões de km. Em outras palavras, estão aproximadamente 15 a 70 vezes mais longe de sua estrela do que a Terra está do Sol.

Por que a distância complica a teoria de formação planetária

Gigantes gasosos podem chegar perto da faixa de massa das anãs marrons - objetos que por um curto período conseguem fundir deutério -, mas os astrônomos consideram que os dois tipos de corpos se formam por mecanismos essencialmente diferentes.

As anãs marrons se originam de maneira parecida com as estrelas: um colapso gravitacional “de cima para baixo”, que não reúne massa suficiente para sustentar a fusão de hidrogênio.

Já a formação de planetas costuma ser explicada principalmente pelo acréscimo de núcleo, um processo “de baixo para cima” no qual núcleos sólidos crescem lentamente à medida que material sólido se aglomera em um disco protoplanetário. Núcleos grandes podem, então, capturar gases remanescentes da nebulosa primordial e, com o tempo, transformar-se em gigantes gasosos.

Esse roteiro funciona bem como explicação para Júpiter e Saturno - mas será que ele ainda vale em um sistema como HR 8799, onde há verdadeiros “monstros” mais massivos orbitando muito mais longe?

A essa distância, alguns especialistas questionam se o acréscimo de núcleo conseguiria ser rápido o bastante. Longe da estrela, espera-se que o acréscimo avance mais lentamente, e talvez não haja tempo suficiente para o planeta juntar material antes que o disco protoplanetário se dissipe. Uma alternativa frequentemente citada é que esses mundos possam se formar por colapso gravitacional, de forma semelhante às anãs marrons.

NIRSpec, JWST e a busca por enxofre na atmosfera

Para colocar essa hipótese à prova, os pesquisadores analisaram dados do JWST (Telescópio Espacial James Webb), usando espectros de resolução moderada obtidos com o instrumento NIRSpec. O estudo focou os três planetas mais internos do sistema e examinou comprimentos de onda entre 3 e 5 micrômetros.

A estratégia foi procurar enxofre, um elemento refratário que, em discos protoplanetários, tende a ficar em grande parte preso em grãos sólidos. Assim, encontrar compostos de enxofre na atmosfera de um planeta apontaria para a incorporação de material sólido durante sua formação - algo que favorece o cenário de acréscimo de núcleo.

“Com sua sensibilidade sem precedentes, o JWST está permitindo o estudo mais detalhado das atmosferas desses planetas, oferecendo pistas sobre seus caminhos de formação”, afirma o co-primeiro autor Jean-Baptiste Ruffio, astrônomo da Universidade da Califórnia em San Diego (UC San Diego).

Apesar de os planetas serem milhares de vezes mais fracos do que a estrela hospedeira, a sensibilidade do JWST permitiu separar seus sinais tênues do brilho intenso da estrela. Para chegar às conclusões, a equipe também construiu modelos atmosféricos complexos, ajustando-os e comparando-os cuidadosamente com os dados observacionais.

Sulfeto de hidrogênio e o que ele indica sobre acréscimo de núcleo

Os autores encontraram evidências fortes de sulfeto de hidrogênio em HR 8799 c e d, e os modelos atmosféricos sugerem um enriquecimento semelhante em enxofre nos três planetas internos.

“Com a detecção de enxofre, conseguimos inferir que os planetas de HR 8799 provavelmente se formaram de modo semelhante a Júpiter, apesar de serem 5 a 10 vezes mais massivos - algo inesperado”, diz Ruffio.

“No fim, detectamos várias moléculas nesses planetas - algumas pela primeira vez, incluindo o sulfeto de hidrogênio”, afirma o astrônomo e co-primeiro autor do estudo Jerry Xuan, da Universidade da Califórnia em Los Angeles.

Além disso, os planetas se mostram consistentemente enriquecidos em elementos pesados - incluindo carbono, oxigênio e enxofre - quando comparados à estrela hospedeira. Esse padrão sugere que grandes quantidades de material sólido foram incorporadas durante a formação.

Um nível de eficiência que desafia modelos clássicos

Segundo os pesquisadores, o grau de enriquecimento em elementos pesados é difícil de conciliar com alguns modelos clássicos de formação planetária.

“Não há como a formação planetária ser tão eficiente assim”, afirma Michael Meyer, astrônomo da Universidade de Michigan.

Para entender se HR 8799 é exceção ou parte de um padrão, a equipe ainda precisará ampliar a análise para outros sistemas. Por enquanto, a eficiência com que esses três planetas massivos parecem ter se formado continua sendo desconcertante.

“É um enigma. Acabamos ficando com um mistério”, diz Meyer.

Por que isso importa para exoplanetas e imagens diretas

Resultados como esse reforçam o valor de estudar exoplanetas por espectroscopia atmosférica, especialmente em sistemas em que os planetas podem ser observados por imagem direta. Ao medir moléculas e inferir a abundância de elementos como carbono, oxigênio e enxofre, os astrônomos conseguem testar, com mais rigor, quais ingredientes (sólidos e gases) entraram na construção desses mundos e em que etapa do disco protoplanetário isso ocorreu.

Também fica em aberto como a história dinâmica do sistema pode ter influenciado o resultado. Mesmo que o acréscimo de núcleo seja o mecanismo dominante, processos como interações gravitacionais e possíveis migrações ao longo do tempo podem ajudar a explicar por que planetas tão grandes estão hoje em órbitas tão afastadas.

O estudo foi publicado na revista Astronomia da Natureza.