• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: É realmente impossível para um planeta parecido com Júpiter orbitar uma anã branca?

Em geral, é muito difícil que uma estrela se transforme em uma anã branca e acabe com um planeta muito próximo em órbita ao seu redor sem que esse planeta seja destruído por um evento de ruptura das marés. Uma nova descoberta, de um exoplaneta do tamanho de Júpiter em torno de uma velha anã branca evoluída no sistema WD 1856+534, desafia o que sabemos sobre a evolução dos sistemas planetários. (MARK GARLICK, UNIVERSITY COLLEGE LONDON, UNIVERSITY OF WARWICK E UNIVERSITY OF SHEFFIELD)

Acabamos de encontrar um sistema que não podemos explicar. Aqui está o que está acontecendo.

Um dos fatos mais fascinantes sobre o Universo é que há muito dele por aí. Existem cerca de 2 trilhões de galáxias espalhadas pelo Universo observável, com nossa própria galáxia doméstica contendo algo em torno de 400 bilhões de estrelas sozinha. São 400 bilhões de sistemas planetários, 400 bilhões de oportunidades para reações bioquímicas e 400 bilhões de configurações únicas esperando por nós para identificá-las e observá-las. Recentemente, descobrimos um novo sistema – de um planeta do tamanho de Júpiter orbitando muito perto de uma anã branca – que desafia nossas noções do que deveria existir. O que esse novo sistema significa e por que é tão intrigante? Isso é o que Apoiador do Patreon Dominic Turpin quer saber, perguntando:

Acabei de ler que encontramos um planeta do tamanho de Júpiter orbitando uma estrela anã branca. [O artigo] disse que o planeta encontrou uma maneira de sobreviver à explosão da supernova. É possível que a anã branca tenha simplesmente capturado um planeta rebelde após a supernova?

Há muita coisa que está sendo mal interpretada aqui, mas há uma verdade fascinante: pela primeira vez, encontramos um planeta gigante orbitando uma estrela anã branca , e está extremamente perto da anã branca, completando uma revolução orbital em apenas 34 horas. Veja por que é um quebra-cabeça e qual poderia ser a resolução.

Os exoplanetas só devem ser capazes de sobreviver em torno de massas de qualquer tipo, sejam estrelas, anãs brancas, estrelas de nêutrons ou até buracos negros, se as forças de maré sobre eles forem pequenas o suficiente para evitar que sejam completamente destruídas. Ainda não se sabe como um planeta tão grande e massivo pode permanecer intacto com uma órbita que o aproxima tanto da anã branca observada em WD 1856+534. (NASA AMES/JPL-CALTECH/T. PYLE)

Em geral, existem três destinos possíveis completamente independentes para as estrelas, e eles são predominantemente determinados por um fator: com que massa a estrela nasceu? As estrelas mais massivas, nascidas com oito ou mais vezes a massa do nosso Sol, queimarão o hidrogênio em seu núcleo, incharão em uma gigante vermelha e queimarão hélio em seu núcleo e, em seguida, queimarão carbono, neon, oxigênio e silício antes de morrer em uma explosão catastrófica de supernova. Normalmente, isso deixa apenas o núcleo colapsado para trás: uma estrela de nêutrons ou um buraco negro.

Estrelas parecidas com o Sol, com massas entre ~40% e ~800% da massa do Sol, viverão como o nosso próprio Sol: queimarão o hidrogênio em seu núcleo, se expandirão em uma gigante vermelha que queima hélio e em seguida, sopre suavemente suas camadas externas enquanto o núcleo se contrai para formar uma anã branca, composta principalmente de carbono e oxigênio.

No extremo de baixa massa, estrelas entre apenas ~ 8% e ~ 40% da massa do Sol queimarão apenas hidrogênio, contraindo-se para formar uma anã branca apenas com hélio no final de suas vidas.

Quando estrelas semelhantes ao Sol chegam ao fim de suas vidas, depois de evoluir para uma gigante vermelha, elas gradualmente explodem suas camadas externas para formar uma nebulosa planetária, enquanto o núcleo queimado da estrela se contrai para formar um carbono-oxigênio. anã branca. Nosso Sol alcançará esse destino após outros 7 bilhões de anos, aproximadamente, mas outras estrelas já o alcançaram há bilhões de anos. (NASA, ESA E C.R. O'DELL (UNIVERSIDADE DE VANDERBILT))

Quando vemos uma estrela anã branca, podemos ter certeza de que este é um remanescente estelar cujo núcleo não entrou em colapso e implodiu e cuja estrela progenitora não morreu em uma explosão de supernova. Pode haver outras maneiras de fazer uma anã branca – uma gigante vermelha muito massiva pode ter suas camadas externas arrancadas, por exemplo, abortando uma potencial supernova – mas as mortes estelares que as criam são sempre suaves, não cataclísmicas.

O quebra-cabeça é este: quando uma estrela parecida com o Sol segue o caminho para se tornar uma anã branca, espera-se que ela destrua grande parte do sistema solar que historicamente a orbitou.

Primeiro, a estrela incha em uma gigante vermelha, com seu núcleo se contraindo e aquecendo, a fusão de hidrogênio ocorrendo em uma concha ao redor do núcleo e, eventualmente, fundindo hélio no núcleo central. Durante este estágio, a estrela incha para mais de um milhão de vezes seu volume inicial e mais de 100 vezes seu raio inicial, enquanto sua produção de energia dispara: estrelas gigantes vermelhas podem ser mais de mil vezes mais luminosas do que a estrela era anteriormente.

A evolução de uma estrela de massa solar no diagrama Hertzsprung-Russell (cor-magnitude) desde sua fase pré-sequência principal até o final da fusão. Observe como, durante a fase gigante, o ramo horizontal, o ramo assintótico e a fase de nebulosa planetária, a luminosidade da estrela pode atingir centenas ou mesmo milhares de vezes seu brilho típico durante sua vida. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS SZCZUREQ)

Por centenas de milhões de anos, a estrela gigante vermelha fundirá hélio em carbono em seu núcleo, gradualmente perdendo massa à medida que suas camadas externas ejetam periodicamente matéria em um halo ao redor do sistema solar. Finalmente, à medida que o fim da vida da estrela se aproxima, as camadas externas – compostas principalmente de elementos mais leves como hidrogênio e hélio – são lançadas em uma nebulosa planetária, enquanto o núcleo se contrai para formar uma anã branca. Esse é o ciclo de vida esperado para a própria estrela.

Mas o que acontece com os planetas que orbitam essa estrela ou com o restante desse sistema solar?

Quando a estrela se torna uma gigante vermelha, os planetas mais internos são engolidos e engolidos: Mercúrio e Vênus definitivamente seguirão esse caminho quando o Sol se tornar uma gigante vermelha, e a Terra provavelmente também. A radiação é tão intensa que os corpos gelados do sistema solar, como os objetos do cinturão de Kuiper, sublimarão em grande parte, deixando apenas seus núcleos rochosos para trás. E quaisquer gigantes gasosos que estejam muito próximos de uma estrela gigante como esta podem até ter suas atmosferas evaporadas, deixando apenas seus núcleos planetários expostos.

Quando exoplanetas gigantes gasosos grandes e massivos chegam muito perto de sua estrela-mãe, o envelope de gás externo pode ser quase totalmente ou totalmente removido. O que resta pode ser um núcleo planetário exposto, não muito maior que a Terra, mas comparável em massa a um mundo como Netuno ou Urano. (MARK GARLICK / UNIVERSIDADE DE WARWICK)

Além disso, instabilidades gravitacionais podem ser induzidas nas órbitas dos planetas restantes. Muitos modelos que procuram simular o futuro distante do nosso Sistema Solar mostram pelo menos um de nossos planetas internos sendo ejetado, enquanto a perda de massa que ocorre no final da vida da estrela pode fazer com que os planetas externos se afastem da estrela e potencialmente até mesmo se tornar gravitacionalmente desvinculado. Os estágios finais de um sistema solar, assim como os estágios iniciais, podem resultar na criação de muitos planetas rebeldes.

Mas isso não significa necessariamente que nenhum planeta possa orbitar perto de uma anã branca. Uma das outras coisas que acontece é que o material que antes fazia parte da estrela central, ao ser ejetado, pode colidir com os planetas em órbita, agindo como uma fonte de atrito. Assim como um satélite orbital passando pela tênue atmosfera superior perderá lentamente o momento (momento linear e angular) e cairá de volta à Terra, os planetas que orbitam uma estrela moribunda semelhante ao Sol experimentarão um efeito semelhante, espiralando em direção à estrela central sobre tempo, desde que a matéria expelida ao redor da estrela moribunda cruze a órbita do planeta em questão.

Perto do fim da vida de uma estrela parecida com o Sol, ela começa a explodir suas camadas externas nas profundezas do espaço, formando uma nebulosa protoplanetária como a Nebulosa do Ovo, vista aqui. Suas camadas externas ainda não foram aquecidas a temperaturas suficientes pela estrela central, em contração, para criar uma verdadeira nebulosa planetária, mas a matéria está claramente presente e criará forças de atrito em quaisquer planetas que permaneçam em órbita ao redor da estrela até este ponto. (NASA E HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA), HUBBLE SPACE TELESCOPE/ACS)

Tudo isso é apenas teoria, é claro. Mas na astrofísica, como em todas as ciências físicas, as previsões teóricas que fazemos só são úteis quando confrontadas com observações e medições sobre o próprio Universo real. Embora tenhamos conseguido detectar milhares de exoplanetas em torno de estrelas, sabemos de muito poucos em torno de cadáveres estelares como anãs brancas. Detectamos alguns planetas orbitando estrelas de nêutrons pulsantes a partir do atraso dos pulsos que chegam, mas a evidência de planetas em torno de anãs brancas tem sido amplamente indireta:

• de material rochoso na atmosfera de uma anã branca,
• através de discos de detritos quentes ao redor do remanescente estelar,
• ou de detritos rochosos (ou gelados) que provavelmente são de um antigo planeta destruído pelas marés que ainda não foi engolido.

Mas uma das grandes questões que isso levou é se um planeta pode sobreviver, intacto, para orbitar perto de uma anã branca. As anãs brancas são tão massivas quanto estrelas inteiras, mas apenas do tamanho físico de um planeta rochoso como a Terra. Cada vez que você reduz pela metade sua distância orbital em torno de uma anã branca, as forças de maré sobre você aumentam por um fator de 8; um planeta poderia sobreviver orbitando tão perto de um objeto tão massivo?

Quando os objetos ficam muito próximos em órbita em torno de outra massa, como uma anã branca (ou uma gigante vermelha evoluindo para uma anã branca), as forças de maré aumentam à medida que os objetos inspiram. Eventualmente, essas forças vão rasgar o objeto em um anel e/ou disco de detritos. Para um planeta sobreviver intacto perto de uma estrela anã branca é um desafio para os modelos teóricos. (NASA/JPL-CALTECH)

Isso e onde o mais novo estudo (versão gratuita disponivel aqui ) chega: pela primeira vez, um planeta candidato (ou seja, não confirmado independentemente) foi encontrado orbitando uma anã branca. O próprio sistema estelar é conhecido como WD 1856+534 e está localizado a apenas 80 anos-luz de distância. Com base em sua temperatura, tornou-se uma anã branca há aproximadamente 6 bilhões de anos, antes mesmo de nosso Sistema Solar se formar. E, após ser alvo do Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) da NASA, um escurecimento característico e periódico foi encontrado, sinalizando a presença de um exoplaneta em trânsito.

Espera-se que os trânsitos sejam raros em torno de anãs brancas, já que as chances de obter um alinhamento fortuito – onde o planeta realmente passa na frente de um remanescente estelar de pequeno porte – são muito baixas. Mais de 1.000 anãs brancas foram pesquisadas pelo TESS, e WD 1856+534 foi o primeiro a mostrar evidências desse escurecimento periódico. Com base nos dados obtidos, o planeta está muito próximo da anã branca, completando uma órbita a cada 1,4 dias (34 horas), mas sendo bastante grande: aproximadamente do tamanho de Júpiter, levando de 6 a 8 minutos para completar um trânsito completo .

Exoplanetas e exoluas foram observados medindo a luz proveniente de estrelas distantes e observando quedas periódicas de fluxo onde a luz da estrela-mãe é parcialmente bloqueada pelo planeta em trânsito por um breve período de tempo. O sistema WD 1856+534 mostra a maior queda de fluxo já observada em 56%, indicando um planeta gigante transitando por um remanescente estelar compacto. (CENTRO DE VÔO ESPACIAL GODDARD DA NASA/SVS/KATRINA JACKSON)

O escurecimento da anã branca é enorme, pois dois conjuntos de observações de 2019 mostraram que a emissão de luz foi reduzida em 56% durante os trânsitos, em oposição a tipicamente menos de 1% para a maioria dos trânsitos em torno de estrelas normais. Normalmente, poderíamos acompanhar e confirmar a existência do planeta e medir sua massa observando as linhas espectrais da estrela e como essas linhas se deslocam para o vermelho e para o azul ao longo do tempo, mas essa anã branca em particular é incomumente sem características. Como escrevem os autores:

o espectro do WD 1856 é classificado como tipo DC, um continuum inexpressivo sem fortes características de absorção ou emissão óptica. Espectros ópticos e infravermelho próximo do Telescópio MMT, Telescópio Lick Shane, Telescópio Gemini-North e Telescópio Hobby Eberly confirmaram essa classificação. A falta de características de absorção espectroscópica forte impede observações Doppler precisas.

Não há excesso de radiação de comprimento de onda longo, nos dizendo que esta não é uma estrela ultra-fria ou anã marrom por conta própria; é quase certamente um planeta gigante, mas que sobreviveu intacto, desprovido de quaisquer detritos detectáveis, orbitando extraordinariamente perto de um remanescente estelar compacto.

No cenário de envelope comum, uma estrela que evolui para uma gigante vermelha pode ter sua massa desviada ou ejetada inteiramente pela presença de uma companheira binária, que então se aproximará da estrela-mãe. Ainda assim, esse cenário, por mais atraente que seja teoricamente, é insuficiente por si só para explicar o sistema de exoplanetas gigantes anãs brancas observado em torno de WD 1856+534. (M. WEISS, CXC, NASA)

As ideias teóricas atuais que são usadas para explicar outros sistemas conhecidos enfrentam problemas quando aplicadas a esse sistema de exoplanetas gigantes de anãs brancas. A teoria comum do envelope – onde uma estrela gigante engole uma companheira de menor massa, ejetando o envelope enquanto a companheira espirala – este sistema de planetas gigantes de anãs brancas tem de longe a combinação de massa mais baixa/período orbital mais longo de qualquer sistema sych. Simplificando, a massa do exoplaneta é muito pequena para ejetar o envelope da estrela gigante que deu origem à anã branca.

O cenário do planeta invasor capturado não é melhor, pois um sistema de massas pré-existentes precisaria ser ejetado (semelhante a como Tritão ejetou as luas pré-existentes de Netuno ) para trazer o planeta para uma órbita circular, e os mesmos problemas comuns de envelope ainda surgem.

Em vez disso, o cenário conhecido mais viável é através de instabilidades dinâmicas que surgem ao longo de longos tempos cósmicos . Simulações indicam que um planeta como este exoplaneta observado poderia ser lançado em órbitas altamente excêntricas que chegam muito perto da estrela-mãe e depois circulariam ao longo de bilhões de anos. Dada a idade avançada da anã branca, este é um caminho plausível para a formação desse sistema.

Quando as estrelas de menor massa, semelhantes ao Sol, ficam sem combustível, elas explodem suas camadas externas em uma nebulosa planetária, mas o centro se contrai para formar uma anã branca. A recente descoberta de um exoplaneta próximo e intacto em torno de uma anã branca sem evidências de poeira ou partículas de gelo na atmosfera da anã branca e sem um disco de detritos é um quebra-cabeça para a ciência. (MARK GARLICK / UNIVERSIDADE DE WARWICK)

Mas há duas advertências interessantes para tudo isso que temos que lembrar, acima e além de tudo o que já foi mencionado. Em primeiro lugar, esta anã branca é extremamente baixa em massa: cerca de 52% da massa do Sol. Estrelas que produzem anãs brancas tão baixas em massa, naturalmente, vivem mais do que a idade atual do Universo. Isso sugere que algum tipo de interação dinâmica estava em jogo, ejetando uma parte da massa da estrela progenitora. E em segundo lugar, não temos nenhuma informação sobre qual era a configuração desse sistema estelar há bilhões de anos.

Poderia ter havido um companheiro binário que desviou uma grande parte da massa da estrela durante a fase gigante e foi posteriormente ejetado? Ou, talvez, a combinação anã branca-exoplaneta foi ejetada de um sistema anteriormente maior? Em nosso Universo moderno, temos apenas um instantâneo de como as coisas se parecem quando a luz desses sistemas astronômicos chega. Sua história está perdida para sempre para nós, e será necessário um grande conjunto de observações para nos ensinar exatamente quais sistemas exoplanetários realmente existem em torno desses remanescentes estelares.

Estamos vendo a ponta do iceberg: um campo científico em sua infância. Nos próximos anos e décadas, serão os dados que ainda não obtivemos que nos ensinarão que tipos de sistemas planetários permanecem – e quão abundantes eles são – quando estrelas semelhantes ao Sol encontrarem seu inevitável fim.

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Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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