Exoplaneta antigo, uma “bola de lava húmida”, desafia expectativas.

Um mundo de lava incandescente, coberto por uma espessa camada de rocha vaporizada, poderá ser a evidência mais sólida até agora de um exoplaneta rochoso com atmosfera para lá do nosso Sistema Solar.

TOI-561 b: uma super-Terra ultraquente com atmosfera e oceano de magma

De acordo com um novo estudo liderado por investigadores da Carnegie Science, o planeta TOI-561 b é uma super-Terra ultraquente que aparenta ter um oceano global de magma por baixo de uma atmosfera densa, composta por químicos voláteis.

Além disso, TOI-561 b é um enigma astrofísico antigo, que põe em causa o que julgávamos saber sobre exoplanetas escaldantes presos a uma dança vertiginosamente rápida em torno das suas estrelas.

Uma órbita extrema e um mundo travado por marés

Este exoplaneta orbita a sua estrela a menos de 1,6 milhões de quilómetros - cerca de um quadragésimo da distância entre o Sol e Mercúrio -, o que o transforma num inferno travado por marés: um hemisfério permanece banhado por luz eterna e o outro fica mergulhado numa noite perpétua.

O mais intrigante é que, apesar da intensa irradiação estelar - que se pensa arrancar a “capa” gasosa de planetas semelhantes e deixá-los como rochas nuas e fumegantes, quando não como bolas de lava derretida -, o TOI-561 b parece ter conseguido conservar a sua atmosfera durante milhares de milhões de anos.

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

Um planeta de período ultracurto (USP) e uma estrela muito antiga

O TOI-561 b é classificado como um planeta de período ultracurto (USP), devido à sua órbita apertada, que demora menos de 11 horas a completar. Em termos de dimensão, tem cerca do dobro da massa da Terra e aproximadamente 1,4 vezes o raio da Terra.

Ele gira em torno de uma estrela excecionalmente idosa, ligeiramente menos massiva e mais fria do que o Sol. Esta estrela tem pouco ferro e é rica em elementos alfa, como oxigénio, magnésio e silício, forjados por estrelas massivas no Universo primordial.

A estrela encontra-se também no disco espesso da Via Láctea, uma região galáctica comparável a uma comunidade de reforma estelar. Em conjunto, estes fatores indicam que a estrela terá cerca de 10 mil milhões de anos - mais do dobro da idade do Sol.

Densidade baixa: núcleo pequeno, rochas diferentes ou uma atmosfera “a aumentar” o tamanho?

Os investigadores assinalaram ainda que o TOI-561 b apresenta uma densidade invulgarmente baixa: apenas cerca de quatro vezes mais denso do que a água. Uma possibilidade é que o TOI-561 b tenha um núcleo de ferro relativamente pequeno e seja composto por rochas menos densas do que as da crosta terrestre - um cenário plausível se o planeta se formou no Universo primordial, quando havia menos ferro disponível.

Por outro lado, essa baixa densidade também pode dever-se a uma atmosfera que o faz parecer maior do que é na realidade.

Observações do JWST com o NIRSpec para testar a presença de atmosfera

Para determinar se a densidade inferior ao esperado do TOI-561 b se explicava por uma atmosfera, a equipa recorreu a dados do JWST, que observou o sistema do planeta durante 37 horas, cobrindo quase quatro órbitas completas em torno da sua estrela.

Ao medir o brilho do lado diurno do TOI-561 b no infravermelho próximo, com o NIRSpec (Espectrógrafo de Infravermelho Próximo) do Webb, os investigadores conseguiram estimar a temperatura do planeta e, por consequência, avaliar se seria provável a existência de uma atmosfera.

Sem atmosfera, o TOI-561 b deveria rondar os 2.700 °C, mas as medições apontaram para um valor mais baixo, próximo de 1.800 °C.

A equipa sugere que uma atmosfera pode estar a “arrefecer” o hemisfério voltado para a estrela de várias formas: ventos atmosféricos podem transportar parte do calor do lado diurno para o noturno, enquanto o vapor de água poderá absorver luz no infravermelho próximo emitida pela superfície do planeta, fazendo-o parecer mais frio.

Como é que o TOI-561 b manteve uma atmosfera tão espessa durante milhares de milhões de anos?

Mas como conseguiu o TOI-561 b preservar uma atmosfera densa durante milhares de milhões de anos, estando tão perto da sua estrela hospedeira?

A equipa considera que o exoplaneta poderá ter atingido um equilíbrio entre a atmosfera e o oceano de magma que cobre a superfície - oceano esse que, sem atmosfera, teria solidificado no lado noturno.

Em vez disso, os investigadores propõem que gases possam estar a infiltrar-se a partir da crosta do exoplaneta, alimentando a atmosfera, embora parte deles escape inevitavelmente para o espaço. Em paralelo, o enorme oceano de magma pode estar a funcionar como um sumidouro, puxando gases de volta para o interior do planeta.

O teor de ferro do exoplaneta também poderá ser relevante: o mesmo elemento que liga o oxigénio nos nossos glóbulos vermelhos pode ajudar o TOI-561 a reter a sua atmosfera, ao aprisionar químicos voláteis no oceano de magma ou no núcleo.

“Com base na amostra de planetas rochosos com restrições de temperatura do brilho do lado diurno, parece que planetas com temperaturas de irradiação superiores a ∼2000 K conseguem repor invólucros voláteis mais depressa do que estes se perdem”, escrevem os investigadores no artigo.

No entanto, “identificar com precisão por que razão o TOI-561 b tem uma atmosfera espessa exigirá investigação teórica e observacional adicional”.

Esta investigação foi publicada nas Cartas do Jornal Astrofísico.