Exoplaneta antigo de “bola de lava úmida” surpreende cientistas

Um mundo de lava incandescente, envolto por uma camada espessa de rocha vaporizada, pode representar a evidência mais robusta até agora de que existe um exoplaneta rochoso com atmosfera para além do nosso Sistema Solar.

Um novo estudo liderado por investigadores da Instituição Carnegie para a Ciência descreve o TOI-561 b como uma super-Terra ultraquente que, ao que tudo indica, abriga um oceano global de magma sob uma atmosfera densa composta por compostos voláteis.

TOI-561 b: super-Terra ultraquente, oceano de magma e atmosfera antiga

Além de extremo, o TOI-561 b é um enigma astrofísico: ele desafia expectativas sobre como planetas escaldantes, presos a órbitas rapidíssimas, evoluem ao redor das suas estrelas.

O exoplaneta gira em torno da estrela hospedeira a menos de 1,6 milhão de quilómetros, isto é, cerca de um quadragésimo da distância entre o Sol e Mercúrio. Essa proximidade torna o TOI-561 b um mundo em rotação sincronizada por marés (travamento de maré): um hemisfério permanece sob luz permanente, enquanto o outro fica mergulhado numa noite contínua.

O que intriga é que, apesar da irradiação estelar intensa - que, em teoria, deveria arrancar a atmosfera de planetas semelhantes e deixá-los como rochas nuas e fumegantes (quando não verdadeiras bolas de lava) - o TOI-561 b aparentemente conseguiu manter a sua envoltória gasosa por milhares de milhões de anos.

“Com base no que sabemos sobre outros sistemas, os astrónomos teriam previsto que um planeta como este é pequeno e quente demais para reter a própria atmosfera por muito tempo após a formação”, afirma a astrónoma Nicole Wallack, da Instituição Carnegie para a Ciência.

Órbita de período ultracurto (USP) e dimensões do planeta

O TOI-561 b pertence à classe dos planetas de período ultracurto (USP): a sua órbita é tão apertada que leva menos de 11 horas para completar uma volta.

Em termos de tamanho, o planeta tem aproximadamente duas vezes a massa da Terra e cerca de 1,4 vez o raio terrestre.

Uma estrela muito velha na Via Láctea e pistas sobre a composição

O TOI-561 b orbita uma estrela extremamente idosa, ligeiramente menos massiva e mais fria do que o Sol. Ela é pobre em ferro e rica em elementos alfa - como oxigénio, magnésio e silício - que foram forjados por estrelas massivas no Universo primitivo.

A estrela também se encontra no disco espesso da Via Láctea, uma região galáctica frequentemente comparada a uma “comunidade de reforma” estelar. Em conjunto, essas características indicam que ela tem por volta de 10 mil milhões de anos, ou seja, mais do que o dobro da idade do Sol.

Os investigadores destacaram ainda que o TOI-561 b apresenta uma densidade invulgarmente baixa, de apenas cerca de quatro vezes a densidade da água. Uma possibilidade é que o planeta tenha um núcleo de ferro relativamente pequeno e seja composto por rochas menos densas do que as da crosta terrestre - um cenário coerente com uma formação num período em que havia menos ferro disponível no Universo.

Por outro lado, essa densidade abaixo do esperado também pode ser explicada se o TOI-561 b tiver uma atmosfera que o faça parecer maior do que realmente é.

Observações com o Telescópio Espacial James Webb (JWST) e a temperatura do lado diurno

Para verificar se a densidade mais baixa poderia estar ligada à presença de uma atmosfera, a equipa recorreu a dados do Telescópio Espacial James Webb (JWST), que observou o sistema durante 37 horas, cobrindo quase quatro órbitas completas do planeta.

Ao medir o brilho do lado diurno do TOI-561 b no infravermelho próximo com o NIRSpec (o espectrógrafo de infravermelho próximo do Webb), os cientistas estimaram a temperatura do planeta e, com isso, avaliaram se seria plausível a existência de uma atmosfera.

Sem atmosfera, a expectativa era de que o TOI-561 b estivesse em torno de 2.700 °C (aprox. 4.900 °F). No entanto, as medições apontaram para uma temperatura mais baixa, perto de 1.800 °C.

Os autores levantam a hipótese de que uma atmosfera possa estar “arrefecendo” o hemisfério voltado para a estrela por diferentes mecanismos. Entre eles: - Ventos atmosféricos capazes de transportar parte do calor do lado diurno para o lado noturno. - Vapor de água que absorveria luz no infravermelho próximo proveniente da superfície do planeta, fazendo com que ele pareça mais frio do que seria sem essa absorção.

Como a atmosfera pode sobreviver tão perto da estrela

A questão central permanece: como o TOI-561 b conseguiu sustentar uma atmosfera tão espessa por milhares de milhões de anos enquanto orbita tão perto da sua estrela?

A equipa sugere que o planeta possa ter alcançado um tipo de equilíbrio entre a atmosfera e o oceano de magma que cobre a superfície. Sem atmosfera, esse oceano tenderia a solidificar no lado noturno; com a atmosfera, a troca de calor e de matéria pode manter o sistema num estado estável por longos períodos.

Nesse cenário, gases poderiam escapar lentamente da crosta do exoplaneta, reabastecendo a atmosfera, embora parte deles inevitavelmente se perca para o espaço. Em paralelo, o enorme oceano de magma poderia funcionar como um sumidouro, puxando de volta certos gases para o interior do planeta.

O ferro pode ser uma peça importante nesse processo: o mesmo elemento que permite o transporte de oxigénio no sangue humano pode ajudar o TOI-561 b a reter a sua atmosfera ao prender compostos voláteis no oceano de magma ou no núcleo.

Os investigadores escrevem que, “a partir da amostra de planetas rochosos com restrições de temperatura de brilho no lado diurno, parece que planetas com temperaturas de irradiação superiores a ∼2.000 K conseguem reabastecer envoltórias voláteis mais rapidamente do que elas são perdidas”.

Ainda assim, eles ressaltam que “identificar com precisão por que o TOI-561 b tem uma atmosfera espessa exigirá mais investigação teórica e observacional”.

O que este tipo de mundo pode ensinar

Se a interpretação estiver correta, o TOI-561 b torna-se um alvo particularmente valioso para entender como atmosferas podem persistir em planetas rochosos em ambientes extremos. Em vez de serem apenas “restos” transitórios após a formação, essas atmosferas podem ser mantidas por um ciclo contínuo de perdas para o espaço e reposição a partir do interior.

Observações futuras, especialmente aquelas capazes de procurar assinaturas espectrais de gases associados a rocha vaporizada e a compostos voláteis, podem ajudar a diferenciar entre uma atmosfera dominada por vapor de água, espécies oriundas do magma, ou uma mistura complexa de ambos. Isso também pode refinar estimativas do tamanho real do planeta, separando melhor o que é raio sólido e o que é camada atmosférica.

A investigação foi publicada nas Cartas do Jornal Astrofísico.