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Quarta-feira, Dezembro 8, 2021

Harmonia orbital dos planetas TRAPPIST-1 poderiam sobreviver apenas ao bombardeio inicial limitado

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Sistema TRAPPIST-1

O conceito deste artista retrata os sete exoplanetas rochosos dentro do sistema TRAPPIST-1, localizados a 40 anos-luz da Terra. Crédito: NASA e JPL / Caltech

As órbitas frágeis de sete exoplanetas limitam a chegada tardia de água.

Sete planetas do tamanho da Terra orbitam a estrela TRAPPIST-1 em harmonia quase perfeita, e pesquisadores americanos e europeus usaram essa harmonia para determinar quanto abuso físico os planetas poderiam ter suportado em sua infância.

“Depois que os planetas rochosos se formam, as coisas se chocam contra eles”, disse o astrofísico Sean Raymond, da Universidade de Bordeaux, na França. “É chamado de bombardeio, ou acréscimo tardio, e nos preocupamos com isso, em parte, porque esses impactos podem ser uma importante fonte de água e elementos voláteis que fomentam a vida.”

Em um estudo disponível online hoje (25 de novembro de 2021) em Astronomia da Natureza, Raymond e colegas da Rice University’s NASAO projeto CLEVER Planets financiado e sete outras instituições usaram um modelo de computador da fase de bombardeio da formação planetária no TRAPPIST-1 para explorar os impactos que seus planetas poderiam ter resistido sem perder a harmonia.

Decifrar a história do impacto dos planetas é difícil em nosso sistema solar e pode parecer uma tarefa impossível em sistemas a anos-luz de distância, disse Raymond.

“Na Terra, podemos medir certos tipos de elementos e compará-los com meteoritos”, disse Raymond. “Isso é o que fazemos para tentar descobrir quanta coisa se chocou contra a Terra depois que ela estava quase toda formada.”

Mas essas ferramentas não existem para estudar o bombardeio de exoplanetas.

Sistema TRAPPIST-1 - Conceito de Artista

Uma ilustração mostrando como o sistema TRAPPIST-1 pode ser visto de um ponto de vista próximo ao planeta TRAPPIST-1f (direita). Crédito: NASA / JPL-Caltech

“Nunca conseguiremos pedras deles”, disse ele. “Nunca veremos crateras neles. Então o que nós podemos fazer? É aqui que entra a configuração orbital especial do TRAPPIST-1. É uma espécie de alavanca que podemos puxar para colocar limites nisso. ”

A TRAPPIST-1, a cerca de 40 anos-luz de distância, é muito menor e mais fria que o nosso sol. Seus planetas são nomeados em ordem alfabética de b a h na ordem de sua distância da estrela. O tempo necessário para completar uma órbita em torno da estrela – equivalente a um ano na Terra – é de 1,5 dias no planeta be 19 dias no planeta h. Notavelmente, seu períodos orbitais formam proporções quase perfeitas, um arranjo ressonante uma reminiscência de notas musicais harmoniosas. Por exemplo, para cada oito “anos” no planeta b, cinco passam no planeta c, três no planeta d, dois no planeta e e assim por diante.

“Não podemos dizer exatamente quanto material se chocou contra qualquer um desses planetas, mas por causa dessa configuração ressonante especial, podemos colocar um limite superior nisso”, disse Raymond. “Podemos dizer: ‘Não pode ter sido mais do que isso.’ E descobriu-se que esse limite superior é, na verdade, bastante pequeno.

“Descobrimos que depois que esses planetas se formaram, eles não foram bombardeados por mais do que uma pequena quantidade de coisas”, disse ele. “Isso é legal. É uma informação interessante quando pensamos sobre outros aspectos dos planetas no sistema. ”

Comparação do TRAPPIST-1 com o sistema solar e as luas de Júpiter

Os planetas do TRAPPIST-1 em comparação com as luas de Júpiter e os planetas do sistema solar. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Os planetas crescem em discos protoplanetários de gás e poeira em torno de estrelas recém-formadas. Esses discos duram apenas alguns milhões de anos, e Raymond disse que pesquisas anteriores mostraram que cadeias ressonantes de planetas como o TRAPPIST-1 se formam quando planetas jovens migram para mais perto de sua estrela antes que o disco desapareça. Modelos de computador mostraram que os discos podem conduzir os planetas à ressonância. Raymond disse que acredita-se que cadeias ressonantes como o TRAPPIST-1 devem ser configuradas antes que seus discos desapareçam.

O resultado é que os planetas do TRAPPIST-1 se formaram rapidamente, em cerca de um décimo do tempo que a Terra levou para se formar, disse o co-autor do estudo de Rice Andre Izidoro, astrofísico e pós-doutorado do CLEVER Planets.

Sean Raymond

Sean Raymond. Crédito: Rice University

CLEVER Planets, liderado pelo co-autor do estudo Rajdeep Dasgupta, o professor Maurice Ewing de Ciência dos Sistemas Terrestres em Rice, está explorando as maneiras pelas quais os planetas podem adquirir os elementos necessários para sustentar a vida. Em estudos anteriores, Dasgupta e colegas da CLEVER Planets mostraram uma porção significativa da Terra elementos voláteis vieram do impacto que formou a lua.

“Se um planeta se formar cedo e for muito pequeno, como a massa da lua ou Marte, não pode acumular muito gás do disco ”, disse Dasgupta. “Esse planeta também tem muito menos oportunidade de obter elementos voláteis essenciais à vida por meio de bombardeios tardios.”

Izidoro disse que teria sido o caso da Terra, que ganhou grande parte de sua massa relativamente tarde, incluindo cerca de 1% de impactos após a colisão com a lua.

“Sabemos que a Terra teve pelo menos um impacto gigante depois que o gás (no disco protoplanetário) foi embora”, disse ele. “Esse foi o evento de formação da lua.

“Para o sistema TRAPPIST-1, temos esses planetas com a massa da Terra que se formaram cedo”, disse ele. “Então, uma diferença de potencial, em comparação com a formação da Terra, é que eles poderiam ter, desde o início, alguma atmosfera de hidrogênio e nunca experimentaram um impacto gigante tardio. E isso pode mudar muito a evolução em termos do interior do planeta, liberação de gases, perda volátil e outras coisas que têm implicações para a habitabilidade. ”

Raymond disse que o estudo desta semana tem implicações não apenas para o estudo de outros sistemas planetários ressonantes, mas para muito mais comuns exoplaneta sistemas que se acreditava terem começado como sistemas ressonantes.

Andre Izidoro

Andre Izidoro. Crédito: Rice University

“Super-Terras e sub-Netuno são muito abundantes em torno de outras estrelas, e a ideia predominante é que eles migraram para dentro durante a fase de disco de gás e então possivelmente tiveram uma fase tardia de colisões”, disse Raymond. “Mas durante aquela fase inicial, onde eles estavam migrando para dentro, achamos que eles praticamente – universalmente talvez – tiveram uma fase em que eram estruturas de cadeia ressonantes como TRAPPIST-1. Eles simplesmente não sobreviveram. Eles acabaram ficando instáveis ​​mais tarde. ”

Izidoro disse que uma das principais contribuições do estudo pode vir daqui a alguns anos, depois Telescópio espacial James Webb da NASA, o Telescópio Extremamente Grande do Observatório Europeu do Sul e outros instrumentos permitem que os astrônomos observem diretamente as atmosferas de exoplanetas.

“Hoje temos algumas restrições na composição desses planetas, como a quantidade de água que eles podem ter”, disse Izidoro sobre os planetas que se formam em uma fase ressonante de migração. “Mas temos barras de erro muito grandes.”

No futuro, as observações restringirão melhor a composição interna dos exoplanetas, e conhecer a história do bombardeio tardio de planetas ressonantes pode ser extremamente útil.

“Por exemplo, se um desses planetas tem muita água, digamos uma fração de massa de 20%, a água deve ter sido incorporada aos planetas no início, durante a fase gasosa”, disse ele. “Portanto, você terá que entender que tipo de processo poderia trazer essa água para este planeta.”

Referência: “Um limite superior para acreção tardia e entrega de água no sistema exoplaneta Trappist-1” 25 de novembro de 2021, Astronomia da Natureza.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01518-6

Outros co-autores do estudo incluem Emeline Bolmont e Martin Turbet da Universidade de Genebra, Caroline Dorn da Universidade de Zurique, Franck Selsis da Universidade de Bordeaux, Eric Agol do universidade de Washington, Patrick Barth da Universidade de St. Andrews, Ludmila Carone do Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg, Alemanha, Michael Gillon da Universidade de Liège e Simon Grimm do Universidade de Berna.

A pesquisa foi apoiada pela NASA (80NSSC18K0828), Agência Federal de Apoio e Avaliação da Pós-Graduação (88887.310463 / 2018-00), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (313998 / 2018-3), Universidade de St . Andrews, a Fundação Alemã de Pesquisa (SP1833-1795 / 3), o programa Horizonte 2020 da União Europeia (832738 / ESCAPE), a Fundação Nacional Suíça para a Ciência (PZ00P2 174028), o Centro Nacional Francês para o Programa Nacional de Planetologia de Pesquisa Científica, o Programa Nacional de Planetologia da França Centro de Informática para Ensino Superior (A0080110391) e Fundação Gruber.





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