PSR J2322-2650b: o exoplaneta mais estranho alguma vez detectado na Via Láctea

Um exoplaneta descoberto recentemente parece ganhar, sem grande discussão, o título de mundo mais bizarro que já identificámos na galáxia Via Láctea.

Chama-se PSR J2322-2650b e, nele, tudo soa a absurdo: é um Júpiter quente em órbita de um pulsar de milissegundos, deformado pela gravidade da estrela até ficar com uma forma de limão. Na atmosfera há vapor de carbono e, no interior, poderá existir uma estrutura dominada por hélio. Para completar o cenário, toda a atmosfera gira a uma velocidade disparatada - na direção oposta à rotação do próprio planeta.

"Foi uma surpresa absoluta", afirma o astrónomo Peter Gao, do Carnegie Earth and Planets Laboratory. "Lembro-me de, depois de descarregarmos os dados, a nossa reação coletiva ter sido: 'Mas que raio é isto?'"

Mundos extremos existem - mas este resiste a explicações simples

Não há dúvidas de que o Universo consegue produzir mundos estranhos, com uma diversidade que vai desde atmosferas tipo algodão-doce a nuvens metálicas e chuva de coríndon, passando por exoplanetas ultra-densos descritos como “balas”.

E embora muitas destas descobertas pareçam levar ao limite o que julgávamos possível, as características e o comportamento da maioria dos mundos acabam por ser compreensíveis. Já o PSR J2322-2650b foge a enquadramentos fáceis: as suas propriedades não encaixam, de forma convincente, em nenhum caminho conhecido de evolução planetária.

"É muito difícil imaginar como se obtém esta composição extremamente enriquecida em carbono", diz o astrónomo Michael Zhang, da Universidade de Chicago. "Parece excluir todos os mecanismos de formação conhecidos."

A estrela PSR J2322-2650 e a deteção inicial do companheiro

Para perceber o caso, vale a pena começar pela estrela: PSR J2322-2650 (igual ao nome do exoplaneta, mas sem o “b” final), localizada a cerca de 2 055 anos-luz. Trata-se de um tipo de estrela degenerada conhecido como pulsar de milissegundos - essencialmente, uma estrela de neutrões com particularidades adicionais.

Por si só, uma estrela de neutrões já é algo extremo: forma-se a partir do núcleo ultra-denso colapsado de uma estrela massiva que morreu numa supernova. Estes remanescentes podem atingir até 2,3 vezes a massa do Sol, comprimidos numa esfera com apenas 20 quilómetros (12 milhas) de diâmetro.

As estrelas de neutrões “passam a pulsares de milissegundos” quando rodam a ritmos da ordem dos milissegundos - no caso da PSR J2322-2650, 3,46 milissegundos - e emitem, a partir dos polos, feixes intensos de radiação de rádio e gama em intervalos muito precisos.

Foi precisamente essa precisão (ligeiramente falhada) que levou à descoberta do PSR J2322-2650b em 2017. Os astrónomos notaram que o rigor esperado nos pulsos de rádio da estrela anfitriã estava um pouco… desalinhado. Ao analisarem o timing com mais cuidado, atribuíram a perturbação a um companheiro invisível com massa planetária: cerca de 80 por cento da massa de Júpiter, a orbitar rapidamente o pulsar numa órbita de 7,8 horas.

O que o JWST viu em PSR J2322-2650b (e porque foi possível vê-lo tão bem)

Durante algum tempo, era praticamente isto que sabíamos - até o JWST observar o sistema com muito mais detalhe. Como o telescópio espacial trabalha em comprimentos de onda infravermelhos, mas não nos sinais de rádio e nos raios gama intensos emitidos pela estrela, consegue distinguir o exoplaneta com grande clareza, tornando o alvo especialmente atrativo.

"Este sistema é único porque conseguimos ver o planeta iluminado pela sua estrela anfitriã, mas não vemos a estrela anfitriã de todo", explica a astrónoma Maya Beleznay, da Universidade de Stanford. "Por isso obtemos um espectro realmente limpo. E conseguimos estudar este sistema em mais detalhe do que os exoplanetas normais."

Deste modo, foi possível reunir um conjunto alargado de medições sobre as condições atmosféricas do mundo, incluindo velocidade e direção dos ventos, temperatura e composição.

Os cientistas planetários têm uma ideia aproximada - apoiada em estudos anteriores de atmosferas de exoplanetas e em química básica - sobre como deverá ser uma atmosfera típica. Sendo este o primeiro mundo em torno de um pulsar com atmosfera analisada, admitia-se que o PSR J2322-2650b pudesse apresentar excentricidades; ainda assim, poucos antecipavam o que os dados do JWST vieram revelar.

Uma atmosfera esticada, sobreaquecida e a “correr ao contrário”

Antes de mais, por estar tão próximo da estrela, o exoplaneta tem a atmosfera puxada pela gravidade do hospedeiro e esticada até uma forma semelhante a uma bola de futebol americano. Essa atmosfera é fustigada por radiação gama, que a aquece até cerca de 1,900 Kelvin (1,630 Celsius, ou 2,960 Fahrenheit) - muito acima dos 1,300 Kelvin que atingiria se fosse aquecida apenas pela luz estelar.

Além disso, a atmosfera desloca-se rapidamente em direção oeste, no sentido contrário ao da rotação para leste do planeta, rotação essa que está sincronizada com a sua órbita em torno do pulsar.

Composição: carbono em excesso e moléculas inesperadas

É na composição que o cenário passa de estranho a quase inacreditável: existem quantidades enormes de carbono, que poderão cristalizar em chuva de diamantes a altitudes mais baixas.

"Este é um novo tipo de atmosfera planetária que ninguém jamais tinha visto", afirma Zhang. "Em vez de encontrarmos as moléculas normais que esperamos ver num exoplaneta - como água, metano e dióxido de carbono - observámos carbono molecular, especificamente C₃ e C₂."

Como é que algo assim existe? A hipótese de uma antiga estrela de hélio

Parte da explicação pode estar numa pergunta fundamental: como é que um planeta sobrevive à supernova de colapso do núcleo que deu origem à estrela de neutrões? Na verdade, há uma resposta bastante direta - não sobrevive, pelo menos no caso do PSR J2322-2650b.

A partir das propriedades observadas, Zhang e os seus colegas defendem que este objeto poderá nem ter começado como planeta: poderá ter sido, no início, uma estrela de hélio.

Existem pulsares conhecidos como “viúvas-negras”, inseridos em sistemas binários com outras estrelas, que vão lentamente “devorando” o companheiro - à semelhança de uma aranha viúva-negra que consome o parceiro. Esta erosão ajudaria a justificar o interior rico em hélio do “exoplaneta” e até o carbono presente na atmosfera.

Questões em aberto e debate sobre oxigénio e azoto

Ainda assim, nem tudo está fechado.

"À medida que o companheiro arrefece, a mistura de carbono e oxigénio no interior começa a cristalizar", diz o astrofísico Roger Romani, da Universidade de Stanford e do Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology.

"Cristais de carbono puro flutuam para o topo e misturam-se no hélio, e é isso que vemos. Mas depois tem de acontecer alguma coisa para manter o oxigénio e o azoto afastados. E é aí que há controvérsia."

Como o companheiro já não tem massa suficiente para sustentar fusão de átomos no núcleo, deixa de poder ser classificado como estrela - ou sequer como anã castanha. É mais uma peça de evidência que volta a baralhar a fronteira entre planetas e estrelas.

Observações futuras poderão ajudar a esclarecer a estranheza extrema de um sistema que não se parece com nada do que já vimos.

"É bom não sabermos tudo", diz Romani. "Estou ansioso por aprender mais sobre a estranheza desta atmosfera. É ótimo ter um puzzle para perseguir."

A investigação foi publicada nas Cartas do Jornal Astrofísico.