21.5: Exoplanetas em todo lugar - O que estamos aprendendo
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objetivos de aprendizagem
Ao final desta seção, você poderá:
- Explique o que aprendemos com nossa descoberta de exoplanetas
- Identifique quais tipos de exoplanetas parecem ser os mais comuns na galáxia
- Discuta os tipos de sistemas planetários que estamos encontrando em torno de outras estrelas
Antes da descoberta dos exoplanetas, a maioria dos astrônomos esperava que outros sistemas planetários fossem muito parecidos com os nossos — planetas seguindo órbitas aproximadamente circulares, com os planetas mais massivos a vários AU de sua estrela-mãe. Esses sistemas existem em grande número, mas muitos exoplanetas e sistemas planetários são muito diferentes dos do nosso sistema solar. Outra surpresa é a existência de classes inteiras de exoplanetas que simplesmente não temos em nosso sistema solar: planetas com massas entre a massa da Terra e Netuno e planetas que são várias vezes mais massivos que Júpiter.
Resultados do Kepler
O telescópio Kepler foi responsável pela descoberta da maioria dos exoplanetas, especialmente em tamanhos menores, conforme ilustrado na Figura\(\PageIndex{1}\), onde as descobertas do Kepler são plotadas em amarelo. Você pode ver a grande variedade de tamanhos, incluindo planetas substancialmente maiores que Júpiter e menores que a Terra. A ausência de exoplanetas descobertos por Kepler com períodos orbitais superiores a algumas centenas de dias é uma consequência da vida útil de 4 anos da missão. (Lembre-se de que três trânsitos uniformemente espaçados devem ser observados para registrar uma descoberta.) Nos tamanhos menores, a ausência de planetas muito menores que um raio terrestre se deve à dificuldade de detectar trânsitos por planetas muito pequenos. Na verdade, o “espaço de descoberta” para Kepler foi limitado a planetas com períodos orbitais inferiores a 400 dias e tamanhos maiores que Marte.
Um dos principais objetivos da missão Kepler era descobrir quantas estrelas hospedavam planetas e, especialmente, estimar a frequência de planetas semelhantes à Terra. Embora Kepler tenha observado apenas uma fração muito pequena das estrelas na galáxia, o tamanho da amostra era grande o suficiente para tirar algumas conclusões interessantes. Embora as observações se apliquem apenas às estrelas observadas por Kepler, essas estrelas são razoavelmente representativas e, portanto, os astrônomos podem extrapolar para toda a galáxia.
A figura\(\PageIndex{2}\) mostra que as descobertas de Kepler incluem muitos planetas rochosos do tamanho da Terra, muito mais do que planetas gasosos do tamanho de Júpiter. Isso imediatamente nos diz que a descoberta inicial do Doppler de muitos Júpiters quentes foi uma amostra tendenciosa, na verdade, encontrando sistemas planetários estranhos porque eles eram os mais fáceis de detectar. No entanto, há uma grande diferença entre essa distribuição de tamanho observada e a dos planetas em nosso sistema solar. Os planetas mais comuns têm raios entre 1,4 e 2,8 dos da Terra, tamanhos para os quais não temos exemplos no sistema solar. Eles foram apelidados de super-Terras, enquanto o outro grande grupo com tamanhos entre 2,8 e 4 da Terra é frequentemente chamado de mini-Netunos.
Que descoberta notável é que os tipos mais comuns de planetas na galáxia estão completamente ausentes do nosso sistema solar e eram desconhecidos até o levantamento de Kepler. No entanto, lembre-se de que planetas realmente pequenos eram difíceis de serem encontrados pelos instrumentos Kepler. Portanto, para estimar a frequência de exoplanetas do tamanho da Terra, precisamos corrigir esse viés de amostragem. O resultado é a distribuição de tamanho corrigida mostrada na Figura\(\PageIndex{3}\). Observe que, neste gráfico, também mostramos não o número de detecções de Kepler, mas o número médio de planetas por estrela para estrelas do tipo solar (tipos espectrais F, G e K).
Vemos que os tamanhos de planetas mais comuns são aqueles com raios de 1 a 3 vezes os da Terra — o que chamamos de “Terras” e “Super-Terras”. Cada grupo ocorre em cerca de um terço a um quarto das estrelas. Em outras palavras, se agruparmos esses tamanhos juntos, podemos concluir que há quase um desses planetas por estrela! E lembre-se, esse censo inclui principalmente planetas com períodos orbitais de menos de 2 anos. Ainda não sabemos quantos planetas não descobertos podem existir a distâncias maiores de sua estrela.
Para estimar o número de planetas do tamanho da Terra em nossa galáxia, precisamos lembrar que existem aproximadamente 100 bilhões de estrelas dos tipos espectrais F, G e K. Portanto, estimamos que existem cerca de 30 bilhões de planetas do tamanho da Terra em nossa galáxia. Se incluirmos também as super-Terras, então pode haver cem bilhões em toda a galáxia. Essa ideia - de que planetas com aproximadamente o tamanho da Terra são tão numerosos - é certamente uma das descobertas mais importantes da astronomia moderna.
Planetas com densidades conhecidas
Para várias centenas de exoplanetas, conseguimos medir o tamanho do planeta a partir de dados de trânsito e sua massa a partir de dados do Doppler, produzindo uma estimativa de sua densidade. Comparar a densidade média dos exoplanetas com a densidade dos planetas em nosso sistema solar nos ajuda a entender se eles são rochosos ou gasosos por natureza. Isso tem sido particularmente importante para entender a estrutura das novas categorias de super-Terras e mini-Netunos com massas entre 3 e 10 vezes a massa da Terra. Uma observação importante até agora é que planetas com mais de 10 vezes a massa da Terra têm envelopes gasosos substanciais (como Urano e Netuno), enquanto os planetas de menor massa são predominantemente rochosos por natureza (como os planetas terrestres).
A figura\(\PageIndex{4}\) compara todos os exoplanetas que têm medições de massa e raio. A dependência do raio na massa do planeta também é mostrada em alguns casos ilustrativos — planetas hipotéticos feitos de ferro puro, rocha, água ou hidrogênio.
Em massas mais baixas, observe que, à medida que a massa desses planetas hipotéticos aumenta, o raio também aumenta. Isso faz sentido: se você estivesse construindo um modelo de planeta a partir de argila, seu planeta de brinquedo aumentaria de tamanho à medida que você adicionasse mais argila. No entanto, para os planetas de maior massa (M > 1000\(M_{\text{Earth}}\)) na Figura\(\PageIndex{3}\), observe que o raio para de aumentar e os planetas com maior massa são, na verdade, menores. Isso ocorre porque o aumento da massa também aumenta a gravidade do planeta, de modo que materiais compressíveis (mesmo a rocha é compressível) se tornarão mais compactados, diminuindo o tamanho do planeta mais massivo.
Na realidade, os planetas não são composições puras, como o hipotético planeta água ou ferro. A Terra é composta por um núcleo sólido de ferro, um núcleo externo de ferro líquido, um manto e crosta rochosos e uma camada atmosférica relativamente fina. Os exoplanetas têm a mesma probabilidade de serem diferenciados em camadas composicionais. As linhas teóricas na Figura\(\PageIndex{4}\) são simplesmente guias que sugerem uma variedade de composições possíveis.
Astrônomos que trabalham na modelagem complexa do interior de planetas rochosos fazem a suposição simplificada de que o planeta consiste em duas ou três camadas. Isso não é perfeito, mas é uma aproximação razoável e outro bom exemplo de como a ciência funciona. Muitas vezes, o primeiro passo para entender algo novo é reduzir o leque de possibilidades. Isso prepara o terreno para refinar e aprofundar nosso conhecimento. Na Figura\(\PageIndex{4}\), os dois triângulos verdes com aproximadamente 1\(M_{\text{Earth}}\) e 1\(R_{\text{Earth}}\) representam Vênus e Terra. Observe que esses planetas estão entre os modelos de um planeta de ferro puro e de rocha pura, consistente com o que esperaríamos da conhecida composição química mista de Vênus e da Terra.
No caso dos planetas gasosos, a situação é mais complexa. O hidrogênio é o elemento mais leve na tabela periódica, mas muitos dos exoplanetas detectados na Figura\(\PageIndex{4}\) com massas maiores que 100\(M_{\text{Earth}}\) têm raios que sugerem que eles têm menor densidade do que um planeta de hidrogênio puro. O hidrogênio é o elemento mais leve, então o que está acontecendo aqui? Por que alguns planetas gigantes gasosos têm raios inflados que são maiores do que o planeta fictício de hidrogênio puro? Muitos desses planetas residem em órbitas de curto período próximas à estrela hospedeira, onde eles interceptam uma quantidade significativa de energia irradiada. Se essa energia estiver presa nas profundezas da atmosfera do planeta, ela pode fazer com que o planeta se expanda.
Planetas que orbitam perto de suas estrelas hospedeiras em órbitas ligeiramente excêntricas têm outra fonte de energia: a estrela aumentará as marés nesses planetas que tendem a circular as órbitas. Esse processo também resulta na dissipação de energia das marés que pode inflar a atmosfera. Seria interessante medir o tamanho dos planetas gigantes gasosos em órbitas mais amplas, onde os planetas deveriam ser mais frios — a expectativa é que, a menos que sejam muito jovens, esses exoplanetas gigantes gasosos mais frios (às vezes chamados de “Júpiters frios”) não sejam inflados. Mas ainda não temos dados sobre esses exoplanetas mais distantes.
Sistemas exoplanetários
Ao procurarmos exoplanetas, não esperamos encontrar apenas um planeta por estrela. Nosso sistema solar tem oito planetas principais, meia dúzia de planetas anões e milhões de objetos menores orbitando o Sol. As evidências que temos de sistemas planetários em formação também sugerem que eles provavelmente produzirão sistemas multiplanetários.
O primeiro sistema planetário foi encontrado em torno da estrela Upsilon Andromedae em 1999 usando o método Doppler, e muitos outros foram encontrados desde então (quase 700 no início de 2020). Se esse sistema exoplanetário for comum, vamos considerar quais sistemas esperamos encontrar nos dados de trânsito do Kepler.
Um planeta transitará por sua estrela somente se a Terra estiver no plano da órbita do planeta. Se os planetas de outros sistemas não tiverem órbitas no mesmo plano, é improvável que vejamos vários objetos em trânsito. Além disso, como observamos anteriormente, o Kepler era sensível apenas a planetas com períodos orbitais inferiores a cerca de 4 anos. O que esperamos dos dados do Kepler, então, é evidência de sistemas planetários coplanares confinados ao que seria o reino dos planetas terrestres em nosso sistema solar.
Em 2020, os astrônomos coletaram dados sobre quase 700 desses sistemas de exoplanetas. Muitos têm apenas dois planetas conhecidos, mas alguns têm até cinco e um tem oito (o mesmo número de planetas do nosso próprio sistema solar). Na maioria das vezes, esses são sistemas muito compactos, com a maioria de seus planetas mais perto de sua estrela do que Mercúrio está do Sol. A figura abaixo mostra um dos maiores sistemas de exoplanetas: o da estrela chamada Kepler-62 (Figura\(\PageIndex{5}\)). Nosso sistema solar é mostrado na mesma escala, para comparação (observe que os planetas Kepler-62 são desenhados com licença artística; não temos imagens detalhadas de nenhum exoplaneta).
Todos os planetas do sistema K-62, exceto um, são maiores que a Terra. São super-Terras, e uma delas (62d) está na faixa de tamanho de um mini-Netuno, onde é provável que seja em grande parte gasosa. O menor planeta desse sistema tem aproximadamente o tamanho de Marte. Os três planetas internos orbitam muito perto de sua estrela, e somente os dois externos têm órbitas maiores que Mercúrio em nosso sistema. As áreas verdes representam a “zona habitável” de cada estrela, que é a distância da estrela onde calculamos que as temperaturas da superfície seriam consistentes com a água líquida. A zona habitável de Kepler-62 é muito menor do que a do Sol porque a estrela é intrinsecamente mais fraca.
Com sistemas bem espaçados como esse, os planetas podem interagir gravitacionalmente uns com os outros. O resultado é que os trânsitos observados ocorrem alguns minutos antes ou mais tarde do que seria previsto em órbitas simples. Essas interações gravitacionais permitiram que os cientistas do Kepler calculassem as massas dos planetas, fornecendo outra maneira de aprender sobre exoplanetas.
Kepler descobriu alguns sistemas planetários interessantes e incomuns. Por exemplo, a maioria dos astrônomos esperava que os planetas fossem limitados a estrelas únicas. Mas encontramos planetas orbitando estrelas duplas próximas, para que o planeta visse dois sóis em seu céu, como os do planeta fictício Tatooine nos filmes de Star Wars. No extremo oposto, os planetas podem orbitar uma estrela de um amplo sistema de estrelas duplas sem grandes interferências da segunda estrela.
Conceitos principais e resumo
Embora a missão Kepler esteja encontrando milhares de novos exoplanetas, eles estão limitados a períodos orbitais de menos de 400 dias e tamanhos maiores que Marte. Ainda assim, podemos usar as descobertas do Kepler para extrapolar a distribuição dos planetas em nossa galáxia. Os dados até agora sugerem que planetas como a Terra são o tipo mais comum de planeta e que pode haver 100 bilhões de planetas do tamanho da Terra ao redor de estrelas semelhantes ao Sol na galáxia. Cerca de 2600 sistemas planetários foram descobertos em torno de outras estrelas. Em muitos deles, os planetas estão dispostos de forma diferente do nosso sistema solar.
Glossário
- Super-terra
- um planeta maior que a Terra, geralmente entre 1,4 e 2,8 vezes o tamanho do nosso planeta
- Mini-Netuno
- um planeta intermediário entre o maior planeta terrestre do nosso sistema solar (Terra) e o menor planeta joviano (Netuno); geralmente, os mini-Netunos têm tamanhos entre 2,8 e 4 vezes o tamanho da Terra