Uma nova teoria de como os planetas rochosos se formam pode explicar a origem das chamadas “super-Terras” – uma classe de exoplanetas algumas vezes mais massivo que a Terra, que é o tipo de planeta mais abundante na galáxia.

Além disso, poderia explicar por que as super-Terras dentro de um único sistema planetário muitas vezes parecem estranhamente semelhantes em tamanho, como se cada sistema fosse capaz de produzir apenas um único tipo de planeta.

"À medida que nossas observações de exoplanetas cresceram na última década, ficou claro que a teoria padrão da formação de planetas precisa ser revisada, começando com os fundamentos. Precisamos de uma teoria que possa explicar simultaneamente a formação dos planetas terrestres em nosso planeta. sistema solar, bem como as origens de sistemas auto-similares de super-Terras, muitos dos quais parecem rochosos em composição", diz o professor de ciência planetária do Caltech, Konstantin Batygin, que colaborou com Alessandro Morbidelli, do Observatoire de la Côte d'Azur, em França sobre a nova teoria. Um artigo explicando seu trabalho foi publicado pela Nature Astronomy em 12 de janeiro.

Os sistemas planetários começam seus ciclos de vida como grandes discos giratórios de gás e poeira que se consolidam ao longo de alguns milhões de anos ou mais. A maior parte do gás se acumula na estrela no centro do sistema, enquanto o material sólido se aglutina lentamente em asteróides, cometas, planetas e luas.

Em nosso sistema solar, existem dois tipos distintos de planetas: os menores planetas rochosos internos mais próximos do sol e os maiores gigantes externos de gás rico em água e hidrogênio que estão mais distantes do sol. Em um estudo anterior publicado na Nature Astronomy no final de 2021 , essa dicotomia levou Morbidelli, Batygin e colegas a sugerir que a formação de planetas em nosso sistema solar ocorreu em dois anéis distintos no disco protoplanetário: um interno, onde os pequenos planetas rochosos formado e um externo para os planetas gelados mais massivos (dois dos quais - Júpiter e Saturno - mais tarde se transformaram em gigantes gasosos).

Super-Terras, como o nome sugere, são mais massivas que a Terra. Alguns até têm atmosferas de hidrogênio, o que os faz parecer quase como gigantes gasosos. Além disso, eles são frequentemente encontrados orbitando perto de suas estrelas, sugerindo que eles migraram para sua localização atual de órbitas mais distantes.

“Alguns anos atrás, construímos um modelo onde as super-Terras se formaram na parte gelada do disco protoplanetário e migraram até a borda interna do disco, perto da estrela”, diz Morbidelli. "O modelo poderia explicar as massas e órbitas das super-Terras, mas previu que todas são ricas em água. Observações recentes, no entanto, demonstraram que a maioria das super-Terras são rochosas, como a Terra, mesmo se cercadas por uma atmosfera de hidrogênio. Isso foi a sentença de morte para o nosso antigo modelo."

Nos últimos cinco anos, a história ficou ainda mais estranha como cientistas - incluindo uma equipe liderada por Andrew Howard, professor de astronomia na Caltech; Lauren Weiss, professora assistente da Universidade de Notre Dame; e Erik Petigura, ex-bolsista Sagan Postdoctoral em Astronomia na Caltech e agora professor na UCLA - estudaram esses exoplanetas e fizeram uma descoberta incomum: embora exista uma grande variedade de tipos de super-Terras, todas as super-Terras dentro um único sistema planetário tende a ser semelhante em termos de espaçamento orbital, tamanho, massa e outras características importantes.

"Lauren descobriu que dentro de um único sistema planetário, as super-Terras são como 'ervilhas em uma vagem'", diz Howard, que não estava diretamente conectado com o artigo de Batygin-Morbidelli, mas o revisou. "Você basicamente tem uma fábrica de planetas que só sabe como fazer planetas de uma massa, e apenas os esguicha um após o outro."

Então, que processo único poderia ter dado origem aos planetas rochosos em nosso sistema solar, mas também a sistemas uniformes de super-Terras rochosas?

“A resposta está relacionada a algo que descobrimos em 2020, mas não aplicamos à formação planetária de forma mais ampla”, diz Batygin.

Em um artigo de 2020 publicado no The Astrophysical Journal , Batygin e Morbidelli propuseram uma nova teoria para a formação das quatro maiores luas de Júpiter (Io, Europa, Ganimedes e Calisto).

Em essência, eles demonstraram que, para uma faixa de tamanho específico de grãos de poeira, a força que arrasta os grãos em direção a Júpiter e a força (ou arrastamento) que transporta esses grãos em um fluxo externo de gás se cancelam perfeitamente. Esse equilíbrio de forças criou um anel de material que constituiu os blocos de construção sólidos para a subsequente formação das luas. Além disso, a teoria sugere que os corpos cresceriam no anel até se tornarem grandes o suficiente para sair do anel devido à migração impulsionada pelo gás. Depois disso, eles param de crescer, o que explica por que o processo produz corpos de tamanhos semelhantes.

Em seu novo artigo, Batygin e Morbidelli sugerem que o mecanismo para formar planetas em torno de estrelas é praticamente o mesmo. No caso planetário, a concentração em grande escala de material rochoso sólido ocorre em uma faixa estreita do disco chamada linha de sublimação de silicato – uma região onde os vapores de silicato se condensam para formar seixos rochosos sólidos.

"Se você é um grão de poeira, sente um vento contrário considerável no disco porque o gás está orbitando um pouco mais devagar e você espirala em direção à estrela; mas se você está na forma de vapor, simplesmente espirala para fora, junto com o gás no disco em expansão. Portanto, o local onde você transforma vapor em sólido é onde o material se acumula", diz Batygin.

A nova teoria identifica esta banda como o provável local de uma "fábrica de planetas", que ao longo do tempo pode produzir vários planetas rochosos de tamanho semelhante. Além disso, à medida que os planetas crescem suficientemente massivos, suas interações com o disco tendem a atrair esses mundos para dentro, para mais perto da estrela.

A teoria de Batygin e Morbidelli é apoiada por extensa modelagem de computador, mas começou com uma pergunta simples. "Observamos o modelo existente de formação de planetas, sabendo que ele não reproduz o que vemos, e perguntamos: 'Que afirmação estamos tomando como certa?'", diz Batygin. "O truque é olhar para algo que todo mundo considera verdadeiro, mas sem um bom motivo."

Nesse caso, a suposição era de que o material sólido está disperso pelos discos protoplanetários. Ao descartar essa suposição e, em vez disso, supor que os primeiros corpos sólidos se formam em anéis, a nova teoria pode explicar diferentes tipos de sistemas planetários com uma estrutura unificada, diz Batygin.

Se o anel rochoso contiver muita massa, os planetas crescem até migrarem para longe do anel, resultando em um sistema de super-Terras semelhantes. Se o anel contiver pouca massa, ele produzirá um sistema que se parece muito mais com os planetas terrestres do nosso sistema solar .

"Sou um observador e um construtor de instrumentos, mas presto muita atenção à literatura", diz Howard. "Recebemos um drible regular de contribuições pequenas, mas ainda importantes. Mas a cada cinco anos, mais ou menos, alguém aparece com algo que cria uma mudança sísmica no campo. Este é um desses artigos."