Descoberta ligação entre a composição dos planetas rochosos e a das suas estrelas-mãe

Ilustração da formação de planetas à volta de uma estrela semelhante ao Sol, com rochas e moléculas de Ferro, os “tijolos” para a formação dos planetas, em grande plano. (Crédito: Tania Cunha (Planetário do Porto - Centro Ciência Viva & Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço))

Este trabalho, liderado por um investigador do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA), foi publicado hoje na prestigiada revista Science. Os dados apontam ainda para que, embora haja uma relação entre as composições da estrela e dos planetas rochosos, esta não é direta, como se pressupunha até agora.

As estrelas recém-formadas estão rodeadas por um disco protoplanetário, com uma fração do material deste disco a condensar em blocos de formação planetária e o resto eventualmente a cair para a estrela. Devido a esta origem comum, pressupunha-se que a composição desses “tijolos” planetários e dos planetas rochosos de baixa massa seria semelhante à composição da estrela-mãe.

No entanto, até aqui a única referência que havia disponível era o nosso próprio Sistema Solar e para este, a composição dos principais elementos de formação de rochas nos planetas telúricos1 (com exceção de Mercúrio), tais como magnésio, silício ou ferro, é semelhantes à composição do Sol.

Numa nova investigação2 publicada hoje na prestigiada revista Science, uma equipa internacional3, liderada pelo investigador do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA4) Vardan Adibekyan, conseguiu estabelecer, pela primeira vez, uma correlação entre a composição de exoplanetas rochosos e a composição das suas estrelas-mãe. A equipa demonstrou ainda que, ao contrário do que se supunha, esta relação não é direta.

“O nosso trabalho vai restringir os parâmetros dos modelos de formação planetária, que terão um nível de fiabilidade e detalhe verdadeiramente sem precedentes.”
Vardan Adibekyan (IA & DFA-FCUP)

Vardan Adibekyan (IA & Dep. Física e Astronomia – Faculdade de Ciências da Universidade do Porto) comenta que a equipa determinou que “a composição dos planetas telúricos está intimamente ligada à composição da sua estrela. O nosso estudo demonstra igualmente que a quantidade de ferro nestes planetas telúricos é maior do que seria de esperar, se deduzida pela a composição do disco protoplanetário onde estes se formaram. A nossa interpretação acerca deste enriquecimento de ferro é que este será provocado por reações químicas no disco protoplanetário e pelas particularidades da formação planetária”.

“Eu não classificaria a nossa descoberta como uma daquelas que se faz por acaso, como muitas das que foram feitas em Astronomia ao longo de milénios.”
Vardan Adibekyan (IA & DFA-FCUP)

Apesar de tudo, este resultado não era inesperado, já que a equipa estava ativamente à procura desta correlação. Para conseguir fazer isto, a equipa selecionou 21 dos exoplanetas rochosos conhecidos caracterizados com mais precisão. Esta caracterização baseou-se em medições da massa e do raio, que foram usados para calcular a densidade, assim como a quantidade de ferro nos planetas. Também foram usados espectros de alta resolução, obtidos com os mais avançados espectrógrafos, montados em grandes observatórios espalhados pelo planeta, nos observatórios do ESO de La Silla e Paranal, em Mauna Kea e Roque de los Muchachos, para determinar a composição das estrelas-mãe e deduzir a composição dos componentes essenciais de formação de rochas nos discos protoplanetários”.

Nuno Santos (IA & DFA-FCUP) destaca que compreender a relação entre a composição das estrelas e dos seus planetas tem sido um tópico central da investigação do IA há mais de uma década: “Há anos que a nossa equipa tem recolhido espectros das estrelas que têm exoplanetas, com os melhores espectrógrafos de alta resolução, como o HARPS ou o ESPRESSO do Observatório Europeu do Sul (ESO). Estes espectros são usados para determinar propriedades e abundâncias estelares, e estão compilados publicamente no Catálogo SWEET-Cat”.

A nova geração de espectrógrafos e de telescópios extremamente grandes irão ajudar a levar esta investigação a novos patamares. “além de permitirem o cálculo das massas dos planetas com menor massa que orbitam estrelas do tipo solar, a instrumentação do ELT, como o HIRES, irá permitir que os investigadores aprofundem mais estes estudos, ao analisar em detalhe a composição das atmosferas dos planetas rochosos, o que irá permitir explorar pistas adicionais acerca da conexão estrela-planeta”, acrescenta Sérgio Sousa (IA & Universidade do Porto).

A equipa ainda encontrou um resultado intrigante. Eles descobriram que há uma falha entre a fração de ferro das super-Terras e dos super-Mercúrios5, o que dá indícios que estes planetas representam populações distintas em termos de composição, que poderá ter origem em diferenças no processo da sua formação.

Percentagem de ferro dos planetas analisados e do disco protoplanetário onde os planetas se formaram. (Crédito: Adibekyan et al. (2021)/Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço)

Isto requer mais estudos, já que as simulações de formação planetária que levam em conta apenas colisões, não são capazes de reproduzir os super-Mercúrios de mais alta densidade. Adibekyan acrescenta: “compreender a formação de super-Mercúrios que orbitam outras estrelas vai ajudar-nos a percebermos a densidade particularmente alta de Mercúrio”.

Notas

  1. Planetas telúricos (também conhecidos como planetas terrestres ou planetas rochosos) são uma classe de planetas compostos principalmente por silicatos e metais, distribuídos numa estrutura diferenciada com um núcleo de metal e uma superfície rochosa,.
  2. O artigo “A compositional link between rocky exoplanets and their host stars”, foi publicado hoje na revista Science, Vol. 374, 6565 (https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg8794).
  3. A equipa é formada por: Vardan Adibekyan (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço & Dep. de Física e Astronomia da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto), Caroline Dorn (University of Zurich, Institute of Computational Sciences), Sérgio G. Sousa (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço & Universidade do Porto), Nuno C. Santos (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço & Dep. de Física e Astronomia da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto), Bertram Bitsch (Max-Planck-Institut für Astronomie), Garik Israelian (Instituto de Astrofisica de Canarias & Dep. de Astrofìsica, Universidad de La Laguna), Christoph Mordasini (Physikalisches Institut, University of Bern), Susana C. C. Barros (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço & Dep. de Física e Astronomia da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto), Elisa Delgado Mena (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço & Universidade do Porto), Olivier D. S. Demangeon (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço & Dep. de Física e Astronomia da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto), João P. Faria (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço & Universidade do Porto), Pedro Figueira (European Southern Observatory & Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço), Artur A. Hakobyan (Center for Cosmology and Astrophysics, Alikhanian National Science Laboratory), Mahmoudreza Oshagh (Instituto de Astrofisica de Canarias & Dep. de Astrofìsica, Universidad de La Laguna), Bárbara M.T.B. Soares (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço & Dep. de Física e Astronomia da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto), Masanobu Kunitomo (Dep. of Physics, School of Medicine, Kurume University), Yoichi Takeda (National Astronomical Observatory, Mitaka & Sogo kenkyu daigakuin daigaku, The Graduate University for Advanced Studies, Mitaka), Emiliano Jofré (Instituto de Astronomía, Universidad Nacional Autónoma de México; Universidad Nacional de Córdoba – Observatorio Astronómico de Córdoba & Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Argentina) Romina Petrucci (Universidad Nacional de Córdoba – Observatorio Astronómico de Córdoba & Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Argentina), Eder Martioli (Institut d’Astrophysique de Paris, Centre national de la recherche scientifique, Sorbonne Université & Laboratório Nacional de Astrofísica, Itajubá)
  4. O Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) é a instituição de referência na área em Portugal, integrando investigadores da Universidade de Lisboa, Universidade de Coimbra e Universidade do Porto, e englobando a maioria da produção científica nacional na área. Foi avaliado como “Excelente” na última avaliação de unidades de investigação e desenvolvimento organizada pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT). A atividade do IA é financiada por fundos nacionais e internacionais, incluindo pela FCT/MCES (UIDB/04434/2020 e UIDP/04434/2020).
  5. Super-Terras e super-Mercúrios são os análogos, em termos de composição, de massa superior da Terra e de Mercúrio. A diferença entre a composição de planetas do tipo terrestre e do tipo Mercúrio é que os “Mercúrios” tem maior quantidade de ferro (e um núcleo de ferro maior). Até agora, no caso de Mercúrio, pensava-se que isto seria o resultado de uma gigantesca colisão, nos primórdios do Sistema Solar, que teria arrancado parte do manto de Mercúrio.

Contactos
Vardan Adibekyan; Nuno Cardoso Santos; Sérgio Sousa

Grupo de Comunicação de Ciência
Ricardo Cardoso Reis; Sérgio Pereira; Filipe Pires (coordenação, Porto); João Retrê (coordenação, Lisboa)