• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: As super-Terras são realmente os planetas mais comuns do Universo?

O mundo de tamanho mais comum na galáxia é uma super-Terra, entre 2 e 10 massas terrestres, como Kepler 452b, ilustrado à direita. Mas a ilustração deste mundo como a Terra de alguma forma pode ser equivocada. (Crédito: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle)

• À medida que nos aproximamos de 5.000 exoplanetas confirmados, descobrimos surpreendentemente que o tipo mais comum, as super-Terras, estão ausentes do nosso Sistema Solar.
• No entanto, isso significa que as super-Terras são realmente a classe mais comum de planetas no Universo, ou isso é apenas um reflexo do que nossas ferramentas podem encontrar facilmente?
• Ainda mais surpreendente, acontece que 'super-Terra' não é uma boa descrição do que os planetas realmente são. Existem apenas três classes planetárias, e 'super-Terra' não é uma delas.

Quando se trata da questão do que está lá fora no Universo, é vital lembrar que o que vemos não é necessariamente o que recebemos. Na astronomia, como em qualquer ciência observacional, você só verá o que seus instrumentos e ferramentas são capazes de detectar e detectará um número maior de objetos aos quais é mais sensível. Desde 1990, a humanidade saltou de apenas conhecer os planetas dentro do nosso Sistema Solar para quase 5.000 exoplanetas confirmados, com pelo menos outros 4.000 candidatos planetários de Kepler, K2 e TESS aguardando confirmação.

Em uma descoberta surpreendente, o tipo mais abundante de planeta descoberto até agora não é um gigante gasoso nem um planeta rochoso, mas sim uma nova classe de planeta entre os dois: mais conhecido como super-Terras. Mas as super-Terras são realmente o tipo mais comum de planeta no Universo, ou nossos dados e capacidades atuais estão nos enganando? Isso é o que Victor Taveras pergunta, querendo saber o quão onipresentes as super-Terras realmente são:

Vejo que dizem que as Super Terras são os planetas mais comuns que descobrimos. As pessoas fazem parecer que isso é algo importante e é uma controvérsia que os planetas mais comuns não estejam presentes em nosso próprio sistema solar. Minha pergunta é... isso não é apenas um artefato de medição?

O grande perigo em qualquer empreendimento científico é enganar-se com dados tendenciosos, ruins ou incompletos. E sim, isso é absolutamente uma preocupação legítima aqui. Vamos descobrir por quê.

Se quisermos saber quantos planetas existem no Universo, uma maneira de fazer tal estimativa é detectar planetas até os limites das capacidades de um observatório, e então extrapolar quantos planetas existiriam se o víssemos com uma visão ilimitada. observatório. Embora permaneçam tremendas incertezas, podemos dizer com segurança, hoje, que o número médio de planetas por estrela é maior que 1. ( Crédito : ESO/M. Kornmesser)

A chave para descobrir um planeta em torno de outra estrela é extrair habilmente um sinal que indique sua existência. Atualmente, existem quatro métodos principais para descobrir esses planetas, conhecidos como planetas extra-solares ou exoplanetas. Esses métodos incluem:

1. o método de oscilação estelar/velocidade radial, onde podemos detectar o movimento periódico de uma estrela devido à influência gravitacional de um planeta em órbita massivo
2. o método de trânsito, onde um planeta em órbita passa periodicamente na frente de sua estrela-mãe, bloqueando a mesma fração de sua luz cada vez que transita
3. imagem direta, onde podemos bloquear suficientemente a luz da própria estrela-mãe, revelando o(s) planeta(s) suficientemente luminoso(s) que giram em torno dela
4. microlente, onde um objeto massivo no espaço interestelar passa na frente de uma estrela de fundo mais distante, fazendo com que ela brilhe temporariamente e depois desapareça de volta à sua luminosidade original

Embora existam outros métodos que também podem revelar planetas, como o tempo de pulsar, esses são os quatro métodos mais prolíficos em termos de planetas já descobertos.

Hoje, exoplanetas que não podem ser vistos ou fotografados diretamente ainda podem ser detectados através de sua influência gravitacional em sua estrela-mãe, o que causa uma mudança espectral periódica que pode ser claramente observada. Essa mudança periódica, indicativa do método de oscilação estelar/velocidade radial, foi por um tempo o método de detecção de exoplanetas mais prolífico que a humanidade possuía. ( Crédito : E. Pécontal)

Nos primeiros dias da descoberta de exoplanetas, o método de oscilação estelar era de longe o mais prolífico. À medida que nossa capacidade de detectar mudanças sutis nas faixas de comprimento de onda observadas provenientes de uma estrela melhorou, em grande parte devido aos avanços na instrumentação, de repente tornou-se possível medir até pequenas diferenças nos movimentos periódicos de uma estrela. A física por trás do porquê simples e familiar para quem já ouviu os sons de uma ambulância ou caminhão de sorvete.

Se você estiver parado e o veículo emissor de som que você está ouvindo também, você simplesmente ouvirá os sons nas mesmas frequências em que foram emitidos. No entanto, se você e/ou o veículo emissor de som estiverem em movimento, esse som será alterado:

• para frequências mais altas, comprimentos de onda mais curtos e tons mais altos, se você e o emissor de som estiverem se movendo relativamente um em direção ao outro,
• ou para frequências mais baixas, comprimentos de onda mais longos e tons mais baixos, se você e o emissor de som estiverem relativamente se afastando um do outro.

A mesma física exata também está em jogo com a luz. Então, quando um planeta orbita uma estrela, essa estrela se move periodicamente em nossa direção e se afasta de nós, com sua luz sendo desviada para o azul e para o vermelho, periodicamente, em conjunto.

Um Júpiter quente é um planeta gigante gasoso que orbita tão perto e tão rapidamente em torno de sua estrela-mãe que sua atmosfera pode estar em perigo de evaporar. A primeira população abundante de exoplanetas descobertos foram esses Júpiteres quentes, mas esse é um exemplo de viés de detecção. ( Crédito : Medialab ESA/ATG)

Antes mesmo do lançamento da missão Kepler da NASA, esse método nos ajudou a detectar nosso primeiro número significativo de exoplanetas. Mas os planetas que estávamos descobrindo não eram nada parecidos com os planetas que esperávamos que estivessem lá fora. Em vez de encontrar análogos do nosso próprio Sistema Solar, a esmagadora maioria dos planetas que encontramos foram:

• incrivelmente massivo, sendo muito mais pesado que Júpiter,
• extraordinariamente quente, completando uma revolução completa em torno de suas estrelas-mãe em poucos dias,
• e em torno de estrelas de massa relativamente baixa, onde a razão entre a massa da estrela e a massa do planeta em órbita é muito menor do que a razão da massa do Sol em comparação com a da Terra.

Embora houvesse muitos intrigados com essa população inesperada de objetos, faz sentido que essas tenham sido as primeiras classes de planetas que descobrimos. Afinal, se você estiver procurando por novos planetas observando estrelas e vendo como elas oscilam, você encontrará preferencialmente as estrelas que oscilam em maior quantidade no menor tempo de observação.

Em outras palavras, detectamos desproporcionalmente os tipos mais fáceis de planetas que poderíamos detectar com o método específico que estávamos usando. Estávamos encontrando Júpiteres quentes porque Júpiteres quentes são a classe de planeta mais fácil de detectar com o método de oscilação estelar. E, portanto, assim que outro método se tornou disponível, começamos a perceber que, embora existissem Júpiteres quentes, eles não eram a maioria dos planetas lá fora.

Quando os planetas passam na frente de sua estrela-mãe, eles bloqueiam uma parte da luz da estrela: um evento de trânsito. Ao medir a magnitude e a periodicidade dos trânsitos, podemos inferir os parâmetros orbitais e os tamanhos físicos dos exoplanetas. Quando o tempo de trânsito varia e é seguido (ou precedido) por um trânsito de menor magnitude, também pode indicar uma exolua, como no sistema Kepler-1625. ( Crédito : GSFC/SVS/Katrina Jackson da NASA)

Hoje, a maioria dos exoplanetas conhecidos vem do método de trânsito e, especificamente, foram descobertos pela missão Kepler da NASA. Ao observar um tremendo número de estrelas – mais de 100.000 delas – continuamente por anos, os cientistas esperavam descobrir quaisquer estrelas que, da nossa perspectiva, tivessem planetas em órbita que transitassem pelo disco de suas estrelas-mãe.

Cada vez que o fizessem, você veria uma ligeira, mas substancial queda no fluxo da estrela-mãe, igualmente em todos os comprimentos de onda da luz. E, se você visse o mesmo trânsito acontecer várias vezes com o mesmo espaçamento, no tempo, entre trânsitos sucessivos, você poderia então inferir o período orbital e o raio do planeta em questão. Isso lhe daria um candidato planetário, que você poderia confirmar através do método de oscilação estelar, que também revela a massa do planeta.

Este era um plano ambicioso, mas você já podia ver para onde isso está indo. Pergunte a si mesmo: Quais tipos de planetas, em torno de quais tipos de estrelas, serão os mais fáceis de detectar pelo método de trânsito? Imediatamente, alguns preconceitos vêm à mente.

1. É mais fácil encontrar planetas grandes do que planetas pequenos, pois bloqueiam uma quantidade maior de luz durante um trânsito.
2. É mais fácil encontrar planetas em torno de estrelas menores do que em estrelas maiores, já que um planeta do mesmo tamanho bloquearia uma porcentagem maior da luz de uma estrela menor.
3. É mais fácil encontrar planetas mais próximos de suas estrelas-mãe – com períodos orbitais mais curtos e, portanto, mais trânsitos no mesmo período de tempo – do que planetas mais distantes e orbitando mais distantes.
4. É mais fácil encontrar planetas próximos de suas estrelas-mãe porque é mais provável que você obtenha um alinhamento fortuitamente bom entre uma estrela, um planeta e nós mesmos se o planeta estiver mais perto da estrela do que mais longe.

Quando olhamos para os dados, vemos que é exatamente o que encontramos.

Embora mais de 4.000 exoplanetas confirmados sejam conhecidos, com mais da metade deles descobertos pelo Kepler, encontrar um mundo semelhante a Mercúrio em torno de uma estrela como o nosso Sol está muito além das capacidades de nossa tecnologia atual de localização de planetas. Conforme visto pelo Kepler, Mercúrio parece ter 1/285 do tamanho do Sol, tornando-o ainda mais difícil do que o tamanho 1/194 que vemos do ponto de vista da Terra. Não se conhecem mundos verdadeiros semelhantes à Terra ou semelhantes a Mercúrio. ( Crédito : NASA/Ames/Jessie Dotson e Wendy Stenzel; anotado por E. Siegel)

A esmagadora maioria dos planetas encontrados através do método de trânsito está perto de sua estrela-mãe, tem ~ 10% do raio (ou, equivalentemente, ~ 1% da área de superfície) de sua estrela-mãe ou mais, e está orbitando baixa massa, pequena estrelas de tamanho médio. Embora Kepler tenha encontrado sistemas planetários em torno de ~3.000 das mais de 100.000 estrelas que examinou, as chances de obter um trânsito detectável, simplesmente com base na geometria, nos ensinou que algo entre 80% a 100% de todos os sistemas estelares provavelmente contêm planetas.

Mas os planetas que estamos vendo – os que encontramos até agora – são representativos de todos os planetas que existem por aí?

No mínimo, os dados que coletamos sugerem fortemente, não necessariamente. Embora Kepler e outras pesquisas em trânsito sejam tendenciosas para planetas de curto período que orbitam muito perto de suas estrelas-mãe, é muito sensível a planetas que são pelo menos uma fração substancialmente grande do tamanho de sua estrela-mãe. Para uma estrela como o nosso Sol, por exemplo, o Kepler seria capaz de detectar planetas que orbitam à distância de Vênus ou mais perto, mas não à distância da Terra ou mais longe. Além disso, a essa distância, ele poderia definitivamente ter detectado planetas do tamanho de Júpiter ou Saturno, provavelmente poderia ter detectado planetas do tamanho de Netuno ou Urano, e poderia ter detectado planetas com cerca de metade do tamanho de Netuno ou dobro do tamanho da Terra. Planetas do tamanho da Terra, Vênus, Mercúrio e Marte, no entanto, estariam além dos limites de Kepler sensivelmente.

Quando levamos em conta todos os quase 5.000 exoplanetas conhecidos no início de 2022, podemos ver que o maior número de planetas pode ser encontrado entre os tamanhos da Terra (a -1,0 no eixo x) e Netuno (a -0,5 no eixo x). No entanto, isso não significa que esses mundos sejam os mais abundantes, nem que sejam, como os chamamos, mundos super-terra. ( Crédito : Catálogo de Exoplanetas Aberto)

Quando olhamos para os planetas que encontramos, podemos ver, a partir do gráfico acima, que existem picos e vales na distribuição dos planetas.

• No lado maior, em cerca de 0,0 no eixo x do gráfico, encontramos objetos do tamanho de Júpiter e Saturno. Há muitos deles, mas não muitos que são sensivelmente maiores; uma indicação de que a autocompressão gravitacional se torna importante em torno da massa de Júpiter e permanece importante até que a fusão nuclear acenda no núcleo de um objeto.
• No lado menor, mas ainda grande e familiar, chegamos a cerca de -0,5 no eixo x, que corresponde a objetos do tamanho de Netuno e Urano. Curiosamente, não há muitos objetos entre Netuno/Urano e Júpiter/Saturno; se você tem um grande envelope de gás hidrogênio e hélio, você é do tamanho de Netuno ou do tamanho de Júpiter, mas existe apenas um pequeno número de exemplos de planetas com tamanhos intermediários.
• Objetos do tamanho da Terra e de Vênus estão bem abaixo na marca de -1,0 no eixo x e logo abaixo; eles existem, mas esses objetos são realmente detectáveis ​​apenas sob as circunstâncias mais fortuitas: onde você tem um grande número de trânsitos (e, portanto, uma órbita muito apertada) ou um excelente alinhamento desses planetas em torno apenas das estrelas menores.
• Mas a maioria dos planetas, como você pode ver, está em algum lugar entre objetos do tamanho da Terra e do tamanho de Netuno: entre -1,0 e -0,5 no eixo x. De alguma forma, esses objetos - coloquialmente chamados de super-Terras - são o tipo mais comum de planeta descoberto até agora.

Os pequenos exoplanetas Kepler conhecidos por existirem na zona habitável de sua estrela. Se esses mundos são parecidos com a Terra ou com Netuno é uma questão em aberto, mas a maioria deles agora parece ser mais parecido com Netuno do que com o nosso próprio mundo. ( Crédito : NASA/Ames/JPL-Caltech)

Você pode ser tentado a tirar conclusões sobre o que isso significa para o conjunto total e distribuição de planetas no Universo, mas como nosso questionador intuiu, não há como ver o quadro completo. Os planetas menores são os mais difíceis de ver, e os do tamanho da Terra e os menores que encontramos representam apenas uma pequena porcentagem do número total de planetas encontrados. Precisaríamos de tempos de observação mais longos e maior sensibilidade a pequenas quedas de fluxo para revelar a maioria dos planetas do tamanho da Terra lá fora, para que possamos ter certeza de que estamos subestimando esses planetas terrestres.

O que não podemos ter certeza, infelizmente, é o quão grave é a subcontagem que temos hoje. Pode ser que essas chamadas super-Terras sejam, na verdade, mais comuns do que planetas rochosos do tipo terrestre, como os quatro que temos em nosso Sistema Solar interno, mas também pode ser o caso de haver mais planetas do tamanho da Terra. planetas do que todos os outros tipos de planetas combinados . Até que tenhamos dados suficientemente imparciais para trabalhar, simplesmente não há como saber.

Eu avaliaria, no momento, que a comunidade está atualmente dividida, com a maioria suspeitando que planetas de tamanho terrestre são pelo menos tão numerosos quanto as chamadas super-Terras, mas uma fração substancial de exoplanetas cientistas também pensam o contrário. Novamente, sem os dados decisivos, não podemos tirar uma conclusão definitiva com responsabilidade. A microlente, especialmente com observatórios como Euclid e Nancy Roman surgindo no futuro, tem o potencial de resolver o debate, pois esse método está livre dos vieses que afligem o método de trânsito.

Quando ocorre um evento de microlente gravitacional, a luz de fundo de uma estrela fica distorcida e ampliada à medida que uma massa intermediária viaja através ou perto da linha de visão da estrela. O efeito da gravidade interveniente dobra o espaço entre a luz e os nossos olhos, criando um sinal específico que revela a massa e a velocidade do planeta em questão. ( Crédito : Jan Skowron/Observatório Astronômico, Universidade de Varsóvia)

No entanto, o que podemos concluir definitivamente é algo que a maioria das pessoas ainda não percebeu, mas que é verdadeiramente revolucionário: realmente não existe um planeta super-Terra.

Claro, sabemos que existem planetas maiores que a Terra e menores que Netuno; ninguém contesta isso. Sabemos que eles são mais abundantes do que objetos do tamanho de Netuno e Júpiter, e podem ou não ser mais abundantes do que objetos do tamanho da Terra; temos muita ciência para conduzir para saber com certeza.

Mas aqui está o kicker: você só pode ser um pouquinho maior que a Terra e não adquirir um envelope substancial de gás hidrogênio e hélio. Se você possui temperaturas semelhantes à da Terra ou mais frias, só pode atingir um tamanho cerca de 20 a 30% maior que a Terra antes que sua gravidade seja grande o suficiente para acabar com um envelope espesso de gases voláteis; você se tornará muito mais parecido com Netuno do que com a Terra. Se você chegar muito perto de sua estrela-mãe, em vez disso, poderá ficar um pouco maior: talvez ~ 50-70% maior que a Terra, pois é mais fácil ferver os voláteis, mas mesmo assim é provável que você esteja apenas exposto , núcleo planetário sem ar: semelhante a Mercúrio. Seguindo a relação massa/raio entre planetas, vemos que existem apenas três classes:

• mundos semelhantes aos terrestres, como os quatro interiores do nosso Sistema Solar,
• mundos gigantes gasosos sem autocompressão, como Netuno, Urano e Saturno,
• ou gigantes gasosos com autocompressão, como Júpiter.

É isso.

Quando classificamos os exoplanetas conhecidos por massa e raio juntos, os dados indicam que existem apenas três classes de planetas: terrestre/rochoso, com um envelope de gás volátil, mas sem autocompressão, e com um envelope volátil e com autocompressão . Qualquer coisa acima disso é uma estrela; as populações intermediárias parecem ser raras. Mais importante, podemos ver que não há nada de especial em um planeta do tamanho da super-Terra. ( Crédito : J. Chen e D. Kipping, ApJ, 2017)

O que isso significa para os planetas é notável. Isso significa que o nome super-Terra é, e sempre foi, um equívoco. Você só pode ficar muito, muito ligeiramente mais super que a Terra, em termos de tamanho e massa, antes de fazer a transição para um mundo semelhante a Netuno. A esmagadora maioria dos mundos que encontramos entre o tamanho da Terra e Netuno são semelhantes a Netuno, e não à Terra, com envelopes de gás volátil e superfícies planetárias sólidas que estão tão abaixo deles que a pressão atmosférica para baixo há milhares de vezes o que é na superfície da Terra. Se tivermos que chamá-los de alguma coisa, deveríamos chamá-los de mini-Netunos, não super-Terras.

Mas na extremidade mais baixa do espectro de massa planetária, os métodos que usamos até agora para encontrar planetas com sucesso têm um viés embutido contra encontrar os planetas que procuramos mais diligentemente. Esperamos que existam mais mundos rochosos e terrestres no Universo do que encontramos até agora, mas não temos dados para tirar uma conclusão convincente sobre se eles são mais ou menos numerosos do que os outros tipos de planetas que descobrimos. É eminentemente possível que os planetas do tamanho da Terra sejam os mais numerosos de todos, e que mesmo os sistemas planetários que já encontramos contenham um grande número deles, todos esperando que nossas capacidades de detecção se recuperem.

É importante deleitar-se com o que sabemos, mas manter seu senso de admiração sobre o que resta a ser descoberto. Afinal, o Universo já nos surpreendeu antes e, a cada nova descoberta, há uma chance de nos surpreender novamente.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Compartilhar: