Esses mundos desonestos derrubam a teoria de como os planetas se formam

A versão original de essa história apareceu em Revista Quanta.

Quando Galileu Galilei, um matemático da Universidade de Pádua, apontou para o céu uma luneta de sua própria criação, ficou impressionado com o que viu: mais de 500 novas estrelas na constelação de Órion, além das conhecidas três na constelação do caçador. cinto e seis na espada.

Em outubro, os astrônomos usaram o Telescópio Espacial James Webb para ampliar uma das estrelas do meio da espada e identificaram outros cerca de 500 pontos nunca antes vistos. Os mundos são tão pequenos e escuros que confundem a linha entre a estrela e o planeta. É uma ambiguidade que atormentou Galileu, que se referiu às luas de Júpiter como “estrelas” e “planetas” na mesma página do seu tratado astronómico de 1610, e continua a incomodar os astrónomos até hoje.

“Quando olhamos para o sistema solar, tudo é bonito e organizado. Você tem o sol e você tem planetas”, disse Samuel Pearson, astrônomo da Agência Espacial Europeia (ESA). Não há nada no meio. Mas “quando você realmente vai e dá uma olhada”, disse Pearson, “você percebe que há um espectro completo de [objects with] basicamente todas as missas intermediárias.

A observação do JWST reforça um catálogo crescente de objetos isolados que ocupam esta zona cinzenta entre planetas gigantes e estrelas minúsculas. Às vezes chamados de planetas “flutuantes” ou “desonestos”, esses mundos solitários flutuam livremente pelo espaço. Embora os astrônomos possam estimar a massa dessas bolas escuras de gás com a massa de Júpiter, suas origens permanecem misteriosas. Serão realmente planetas – “Júpiteres” que uma vez orbitaram estrelas, mas de alguma forma foram cuspidos? Ou são mais como microestrelas que não conseguiram acender?

Em vez de responder a esta questão, a observação do JWST aumenta o mistério: o olho infravermelho do telescópio descobriu que dezenas de mundos parecem estar em pares, orbitando uns aos outros – um arranjo intrigante que, se confirmado, desafiaria as expectativas.

“Está faltando alguma coisa”, disse Nienke van der Marel, pesquisadora que estuda a formação planetária no Observatório de Leiden, na Holanda, “e não sabemos o que é”.

Estas duplas improváveis ​​não podem ser facilmente explicadas por quaisquer teorias conhecidas de formação de estrelas ou de planetas flutuantes. Mas uma semana após o anúncio do JWST, os investigadores publicaram uma ideia nova e ousada descrevendo como os planetas gigantes poderiam ser ejetados do seu sistema natal aos pares – um evento que a maioria dos investigadores considerava praticamente impossível. Ainda não se sabe se a proposta pode ou não dar conta de todo o zoológico de mundos obscuros e sem estrelas. Mas os investigadores esperam que esteja disponível uma compreensão refinada dos mundos flutuantes e dos sistemas estelares que os criam.

“Se de fato [this discovery] for confirmado”, disse Peter Plavchan, astrofísico da Universidade George Mason que não esteve envolvido na detecção dos pares de Júpiter, “será realmente inovador”.

Mundos sombrios em todos os lugares

Mundos flutuantes escaparam da atenção dos astrônomos durante séculos porque são extremamente escuros. Para fundir o hidrogênio e brilhar intensamente, as estrelas precisam ter pelo menos 80 vezes a massa de Júpiter. Os mundos desonestos são muito mais leves e comumente definidos como pesando menos de 13 Júpiteres. (Qualquer coisa entre 13 e 80 Júpiteres pode fundir uma variante mais pesada do hidrogênio e é classificada como uma anã marrom, ou o que os astrônomos às vezes chamam romanticamente de “estrela fracassada”).

Na verdade, a relativa invisibilidade dos planetas em movimento livre levou alguns astrofísicos a questionarem-se se poderia haver um número suficiente destes objetos para explicar a matéria escura – a massa não identificada que parece manter as galáxias unidas. Esta questão motivou os astrónomos a procurar sinais de tais mundos na década de 1990, o que fizeram procurando as formas subtis como a sua gravidade distorceria a aparência das estrelas pelas quais tinham passado. A natureza indireta destas pesquisas de “microlentes” não era adequada para identificar objetos individuais flutuantes, mas mostraram que não havia o suficiente do que quer que estivesse lá fora para compor a matéria escura.

As primeiras imagens de mundos rebeldes surgiram na década de 2000, quando os astrônomos avistaram alguns objetos ainda brilhando na luz infravermelha devido ao calor de sua formação. Com base nessas observações, surgiu uma possível origem. Em 2010, astrofísicos, incluindo Sean Raymond, da Universidade de Bordéus, em França, simularam a evolução de sistemas planetários e descobriram que quando um planeta gigante gasoso expulsa um irmão do seu sistema natal, como por vezes acontece, a expulsão estica a órbita do sobrevivente numa elipse. Os astrónomos tinham visto estas órbitas distorcidas, que o grupo de Raymond e outros investigadores interpretaram como cicatrizes de traumas interplanetários passados.

O primeiro catálogo substancial de mundos flutuantes não veio de caçadores de planetas, mas de caçadores de estrelas que procuravam objetos semelhantes a estrelas com ainda menos peso do que as anãs marrons. Núria Miret Roig, da Universidade de Viena, e Hervé Bouy, da Universidade de Bordéus, procuravam a mais anã das anãs castanhas na constelação do Escorpião, que alberga uma nebulosa gasosa que produz muitas estrelas e planetas. No meio de mais de 26 milhões de picadas de luz infravermelha em 80.000 imagens, eles procuraram objetos com brilho fraco que se moviam através do seu campo de visão em observações que abrangeram 20 anos. Em 2021, eles anunciaram que haviam encontrado uma recompensa de cerca de 100 objetos candidatos entre 4 e 13 massas de Júpiter – aumentando o número de mundos rebeldes conhecidos em cerca de um fator de cinco.

Com mais do que apenas um punhado de objetos flutuantes para analisar, os pesquisadores poderiam então começar a fazer perguntas básicas sobre a origem desses mundos. Uma possibilidade era que eles tivessem se unido a partir dos detritos em forma de disco que cercam uma estrela recém-nascida, como fazem os planetas. E então algum encontro casual com um vizinho os expulsou, no estilo das simulações de Raymond em 2010.

A segunda possibilidade era que se tivessem formado isoladamente, quando uma nuvem isolada de hidrogénio e hélio se tornou suficientemente densa para se transformar numa bola. É assim que as estrelas nascem, e isso tornaria esses mundos menos parecidos com planetas e mais parecidos com as menores anãs marrons da galáxia.

Miret Roig e Bouy concluíram que os seus candidatos provavelmente continham mundos que se formaram em ambos os sentidos. Os objetos mais leves eram provavelmente planetas perfurados, embora os astrônomos tivessem encontrado muitos deles para explicar facilmente usando apenas modelos de ejeção planetária.

“Existem muitos planetas flutuantes”, disse Miret Roig, “e provavelmente se formam por mecanismos diferentes”.

Uma mistura de ambas as origens parecia provável. Mas quantos dos 100 mundos flutuantes eram planetas e quantos eram semelhantes a estrelas, os investigadores não sabiam dizer.

Três dias depois de Miret Roig e Bouy publicarem seus resultados, o JWST foi lançado, junto com uma nova era para a caça a planetas flutuantes.

Quedas de Jupiter

Os astrônomos suspeitavam que o JWST seria uma máquina flutuante para encontrar planetas. Situa-se muito além da escuridão interferente da atmosfera da Terra. O seu espelho gigante dá-lhe muito mais sensibilidade às características sutis do Universo do que o seu precursor, o Telescópio Espacial Hubble. E capta luz infravermelha, o que o torna perfeito para detectar mundos com brilho fraco.

Pearson fez parceria com Mark McCaughrean, um astrónomo da ESA, para procurar mundos flutuantes mais profundamente do que era possível anteriormente. Eles eram fascinados pela formação de estrelas e de planetas e queriam atingir objetos – como anãs marrons – na “área cinzenta caótica” entre os dois. Lá, “você obtém o cruzamento dos dois mundos”, disse Pearson. Em outubro de 2022, Pearson e McCaughrean giraram o telescópio espacial em direção a uma estrela central na espada pendurada no cinto de Orion. Por 35 horas.

Pearson levou meses para alinhar as 12.500 imagens JWST resultantes da nebulosa de Orion, pixel por pixel. A formidável tarefa foi frustrada pela extraordinária sensibilidade do telescópio: muitos dos objetos tênues normalmente usados ​​como pontos de referência cegaram o olho ultra-sensível do JWST.

“As anãs marrons, que normalmente são difíceis de ver, estavam destruindo pedaços do detector”, disse ele. “Simplesmente não foi um problema que já encontrei com qualquer outro telescópio”.

Depois de completar o mosaico cósmico, Pearson foi recompensado com uma abundância dos mundos misteriosos que procurava: mais de 500 objetos flutuantes de algumas massas de Júpiter salpicavam a nebulosa de Órion. Mas a verdadeira surpresa foi que, ao olhar atentamente, viu algo que inicialmente não fazia muito sentido. Algumas das bolhas de luz eram pares de objetos com a massa de Júpiter. Ao todo, ele contou 42 pares de Júpiteres girando – um número impressionante.

“Espere aí, por que há toda essa coisa fraca em pares?” Pearson se lembra de ter pensado. “Então a ficha caiu e percebemos que deveríamos analisar isso com muito cuidado.”

Do ponto de vista teórico, essas duplas pareciam quase impossíveis. Era improvável que fossem planetas perfurados; quando um planeta expulsa outro de um sistema estelar, o planeta ejetado quase sempre voa sozinho. Mas também não podiam ser estrelas, uma vez que muitas delas pesavam tão pouco como um único Júpiter – uma massa demasiado leve para o objecto ter sido formado directamente a partir de uma nuvem de gás em colapso. A equipe apelidou suas duplas misteriosas de Objetos Binários de Massa de Júpiter, ou JUMBOs, para abreviar, e os descreveu em uma pré-impressão publicada em 2 de outubro.

Os JUMBOs surpreenderam especialistas em formação de estrelas e planetas. “Isso não foi previsto de forma alguma. Não existem teorias onde esperaríamos estes objetos planetários amplos e flutuantes nestes números,” disse Matthew Bate, astrofísico da Universidade de Exeter especializado em formação estelar.

Os astrónomos já tinham observado que, embora muitas estrelas massivas girem no espaço com parceiras, a percentagem de estrelas acopladas diminui com a sua massa. “Normalmente esperamos que as tendências continuem”, disse van der Marel. Assim, disse ela, a percentagem de objetos com a massa de Júpiter em pares “deveria ir para zero”. Saltar para 10 por cento não estava na cartela de bingo JWST de ninguém.

O problema é que pelo menos alguns dos JUMBOs são provavelmente miragens. Quanto mais fundo um objeto se encontra num ambiente poeirento (e a nebulosa de Órion é extremamente poeirenta), mais difícil será distingui-lo de uma estrela distante e mais massiva atrás da nebulosa, que se esperaria ter uma parceira. Em estudos anteriores, entre 20% e 80% do que pareciam ser mundos flutuantes revelaram-se estrelas baunilha. “É preciso ser um pouco cauteloso neste momento”, disse Miret Roig.

Na primavera, Pearson e McCaughrean usarão o JWST para observar novamente seu lote de mundos flutuantes, desta vez em um espectro de cores mais rico. Estas observações de acompanhamento ajudarão a confirmar quais JUMBOs são reais, procurando vestígios de metano ou água nas suas atmosferas, uma assinatura reveladora de mundos com a massa de Júpiter.

“Depois de obter os espectros”, disse Pearson, “basicamente não há lugar para se esconder”.

Simulações rápidas

Mesmo sem confirmação, os teóricos já estão correndo para explicar estes mundos desconcertantes.

Rosalba Perna, astrofísica da Stony Brook University, ouviu falar dos JUMBOs de Orion nas notícias, antes mesmo de ler o artigo de Pearson. Perna e Yihan Wang, da Universidade de Nevada, em Las Vegas, estudavam o que acontece quando uma estrela passa por outro sistema solar. Eles se concentraram principalmente na simulação de sistemas com um único planeta gigante. Mas os JUMBOs fizeram Perna se perguntar: e se existissem dois planetas gigantes? Ela ligou para Wang e pediu-lhe para ver o que aconteceria se ele colocasse um segundo Júpiter no as simulações.

Wang criou seu programa para lançar estrelas digitais contra incontáveis ​​sistemas estelares de dois Júpiter, de todos os ângulos. Ele também configurou o software para notificá-lo se a estrela “intrusa” enviasse os dois planetas para o espaço juntos – criando um JUMBO. Depois ele enviou o código para um cluster de computação em sua universidade e foi almoçar.

Quando Wang voltou ao seu escritório e verificou seu computador, encontrou uma lista de alertas que dizia “planeta binário formado!!!”

A partir de dezenas de milhares de milhões de simulações, a equipa viu que arrancar pares de Júpiteres era relativamente fácil se os planetas estivessem bastante próximos quando a estrela saqueadora passou. Isso aconteceu com frequência especialmente para vizinhos com órbitas pouco espaçadas (pense em Urano e Netuno). Nesses casos, até 20 em cada 100 ejeções produziram JUMBOs (as outras 80 produziram planetas únicos) – mais do que o suficiente para explicar a taxa de 10 por cento que Pearson tinha visto em Orion. Mas para planetas com órbitas mais distantes (pense em Júpiter-Netuno), quase todas as ejeções resultam em planetas solitários.

Com a colaboração do colega de Wang, Zhaohuan Zhu, o grupo trabalhou 24 horas por dia (e, num caso, durante um voo para a Europa). O trio escreveu seus resultados e publicou uma pré-impressão em 9 de outubro, uma semana após a descoberta do JUMBO.

“A velocidade com que escreveram isso é um pouco assustadora”, disse Pearson.

Outros astrofísicos teóricos ainda não digeriram completamente os novos resultados, mas consideram-nos plausíveis – e surpreendentes. “Eu não pensei [making a free-floating pair of planets] era possível fazer do ponto de vista da ejeção”, disse Raymond. “Mas então este artigo foi publicado.”

Ainda assim, alguns detalhes da teoria do intruso estelar precisarão de mais estudos. A nebulosa de Orion é um lugar denso com muitas estrelas girando ao redor, mas será caótica o suficiente para primeiro formar sistemas solares e depois separá-los, tudo dentro de alguns milhões de anos? Além disso, muitos dos JUMBOs de Pearson e McCaughrean orbitam uns aos outros a grandes distâncias; eles estão várias vezes mais distantes um do outro do que Plutão está da Terra. Mas, de acordo com as simulações de Wang, a única forma de obter JUMBOs tão espaçados é começar com sistemas solares igualmente espaçados, que os astrónomos raramente vêem.

“Sabemos, através de pesquisas diretas de imagens de estrelas jovens, que muito poucas estrelas têm planetas gigantes. [wide] órbitas”, disse Bate. “É difícil aceitar que existissem muitos grandes sistemas planetários em Orion para perturbar.”

Objetos desonestos são abundantes

Neste ponto, muitos pesquisadores suspeitam que há mais de uma maneira de criar esses estranhos objetos intermediários. Por exemplo, com alguns ajustes, os teóricos podem descobrir que as ondas de choque das supernovas podem comprimir nuvens de gás mais pequenas e ajudá-las a colapsar em pares de pequenas estrelas mais rapidamente do que o esperado. E as simulações de Wang mostraram que lançar planetas gigantes aos pares é, pelo menos em alguns casos, teoricamente inevitável.

Embora muitas questões permaneçam, a infinidade de mundos flutuantes descobertos nos últimos dois anos ensinou duas coisas aos pesquisadores. Primeiro, formam-se rapidamente – ao longo de milhões de anos, em vez de milhares de milhões. Em Orion, nuvens de gás colapsaram e planetas formaram-se, e alguns, talvez, tenham sido até arrastados para o abismo por estrelas que passavam, tudo durante o período em que os humanos modernos evoluíram na Terra.

“Formar um planeta em 1 milhão de anos é difícil com os modelos atuais”, disse van der Marel. “Esse [discovery] acrescentaria outra peça a esse quebra-cabeça.”

Em segundo lugar, há muitos mundos livres por aí. E os gigantes gasosos pesados ​​são os mais difíceis de expulsar dos seus sistemas, tal como uma bola de bowling seria o objecto mais difícil de derrubar uma mesa de bilhar. Esta observação sugere que para cada Júpiter avistado, numerosos Netunos e Terras flutuantes passam despercebidos.

Provavelmente vivemos em uma galáxia repleta de mundos banidos de todos os tamanhos.

Agora, quase meio milénio depois de Galileu se ter maravilhado com a miríade de pontinhos de luz – luas, planetas e estrelas – nos céus da Terra, os seus sucessores estão a familiarizar-se com a ponta mais brilhante do iceberg de objectos mais escuros à deriva entre eles. As pequenas estrelas, os mundos sem estrelas, os asteróides invisíveis, os cometas alienígenas e muito mais.

“Sabemos que há um monte de merda entre as estrelas”, disse Raymond. Este tipo de pesquisa está “abrindo uma janela para tudo isso, não apenas para planetas flutuantes, mas para coisas flutuantes em geral”.

História original reimpresso com permissão de Revista Quanta, uma publicação editorialmente independente do Fundação Simons cuja missão é melhorar a compreensão pública da ciência, cobrindo desenvolvimentos e tendências de pesquisa em matemática e ciências físicas e biológicas.