A História Completa do GJ 504b – O Exoplaneta Rosa

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observatory_1501054Astrônomos do projeto Strategic Explorations of Exoplanets and Disks with Subaru, ou SEEDS, recentemente descobriram e capturaram uma imagem do menor planeta já imageado, chamado de Segundo Júpiter. Essa descoberta marca um importante passo em direção ao imageamento direto de planetas mais apagados e parecidos com a Terra no futuro, e que podem levar ao desenvolvimento de novos modelos da formação de planetas. Essa descoberta também ilustra o importante papel do projeto SEEDS na astronomia observacional.

Exoplanetas são planetas que orbitam outras estrelas, que não o Sol, e logicamente estão localizados fora do Sistema Solar. A última contagem, de Julho de 2013 indica que a maior parte dos 890 exoplanetas já reportados foram descobertos por meio de técnicas de observação indireta, ou seja, monitorando a estrela mãe buscando por variações na velocidade radia, ou por trânsitos planetários. Essas técnicas necessitam de observações de pelo menos um período orbital e são totalmente impraticáveis, quando o objetivo é detectar exoplanetas que estão muito longe de suas estrelas e que possuem um grande período orbital. Em contraste a essas técnicas, o imageamento direto pode ser a mais importante maneira de se observar exoplanetas, pois essa técnica permite que se possa obter informações sobre a luminosidade do planeta, sua temperatura, atmosfera e órbita. Contudo, esse método é desafiante, pois esses planetas distantes não só são apagados, mas também estão próximos de suas estrelas, cujo brilho facilmente obscurece uma indicação de um planeta. É como tentar ver um vagalume distante perto de um farol. Somente uma dezena de planetas com uma localização similar em escala ao nosso Sistema Solar tem sido descoberta por meio dessa técnica. Para ajudar a vencer esse desafio, telescópios com espelhos de 8 metros de diâmetro, com óptica adaptativa e coronógrafos que bloqueiam a luz da estrela central têm alcançado o alto desempenho necessário para imagear planetas massivos com grande separação orbital. O projeto SEEDS do Subaru está na linha de frente desses instrumentos usados para realizar observações diretas e descobrir e explorar as feições dos exoplanetas.

Desde 2009, o SEEDS, um projeto internacional aprovado pelo National Astronomical Observatory of Japan, ou NAOJ e liderado por Motohide Tamura (Universidade de Tóquio e NAOJ), tem pesquisado essa nova fronteira com seus cinco anos de imageamento direto e busca de exoplanetas e discos ao redor de um total de 500 estrelas identificadas como alvo. A equipe é composta por mais de 120 membros (dois terços do Japão e um terço dos EUA e Europa) e mais de 25 institutos.

Durante a pesquisa do SEEDS, uma equipe liderada pelos membros do Tokyo Institute of Technology, ou TiTech, da Universidade de Tóquio e do NAOJ, usaram o High Contrast Instrument para o Subaru Next Generation Adaptative Optics, ou HiCIAO montado no Telescópio Subaru para descobrir e imagear o candidato a exoplaneta GJ 504b que orbita uma estrela parecida com o Sol e chamada de GJ 504, que fica na constelação de Virgo, a aproximadamente 60 anos-luz de distância da Terra. Eles usaram uma estrela hospedeira madura (160 Myr) como um guia natural para o AO 188 (a óptica adaptativa do telescópio com 188 elementos). A estrela GJ 504 é brilhante e visível a olho nu, com magnitude aproximada de 5, mas o planeta é muito apagado, com uma magnitude entre 17 e 20 em infravermelho.

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Como um único imageamento direto não pode distinguir planetas candidatos de estrelas de fundo que podem aparecer dentro do pequeno campo de visão da câmera, a equipe conduziu na verdade sete observações, incluindo o uso do IRCS (Infrared Camera and Spectrograph) com o AO 188, para confirmar que o GJ 504J orbita a estrela GJ 504 e não outra estrela do segundo plano.

Qual a massa desse planeta? A massa do planeta é estimada a partir da sua idade e da sua luminosidade. Contudo, a estimativa de massa para planetas sofre de incertezas vinculadas ao modelo de resfriamento para planetas gigantes. A estimativa da massa planetária normalmente assume um início quente, onde o planeta está inicialmente com uma alta temperatura e num estado luminoso. Contudo, recentes modelos teóricos sugerem que planetas gigantes poderiam ser mais frios inicialmente. A diferença entre a relação da massa com a luminosidade decai com a idade do exoplaneta e converge depois de 100 milhões de anos para um planeta com uma massa cinco vezes a massa do planeta Júpiter. Independente de qual modelo se utiliza para calcular a massa desse frio e apagado objeto, GJ 504b, a estrela central GJ 504 é madura o suficiente, com aproximadamente 160 milhões de anos para prever uma massa planetária ao invés de uma anã marrom.

Com base na relação da sua luminosidade observada e idade estimada em comparação com o modelo teórico, os cientistas podem inferir que o GJ 504b tem uma massa menor que três vezes a massa do planeta Joviano. Se assim for, esse é o planeta mais leve já observado diretamente. A distância aparente entre a estrela mãe e o exoplaneta é de 44 Unidades Astronômicas, que é maior do que a órbita de Netuno e comparável à órbita de Plutão, e a equipe conclui que eles haviam finalmente imageado um segundo Júpiter. Esse é um passo importante na direção de se detectar diretamente planetas mais apagados e parecidos com a Terra, no futuro.

A questão que permanece: como um planeta gigante se formou ao redor de uma estrela parecida com o Sol? O modelo padrão de crescimento de núcleo baseado no nosso Sistema Solar não fornece uma explicação adequada para a informação desses planetas externos situados longe de suas estrelas hospedeiras. Esse modelo mantém que o núcleo alcança uma massa crítica a partir do crescimento de corpos de rocha e gelo (planetesimais) e subsequentemente aumenta com a rápida e direta acumulação de gás do disco protoplanetário. Contudo, essa teoria não funciona bem para explicar como planetas além de 30 Unidades Astronômicas de distância se desenvolveram.

Talvez outro modelo como a instabilidade gravitacional dos locais de formação possa ajudar nessa resposta. Esse modelo mantém que um disco protoplanetário massivo torna-se gravitacionalmente instável em suas regiões mais externas. Consequentemente, os fragmentos do disco externo, colapsam diretamente formando um ou mais planetas gigantes. Contudo, a instabilidade gravitacional tem seu próprio desafio. A teoria precisa que uma estrela parecida com o Sol tenha discos bem massivos ao seu redor, e isso é pouco provável que elas possam ter massa suficiente nas regiões externas.

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Nesse ponto, os cientistas não podem dizer definitivamente o que levou à formação do GJ 504b. Isso fornece a base para a contínua observação do exoplaneta. Observações subsequentes revelaram que o planeta possui uma coloração azul única, o que indica que a sua atmosfera possui menos nuvens do que os outros planetas imageados.

Sua temperatura relativamente fria, com menos nuvem, e com menos massa coloca esse exoplaneta em uma categoria fisicamente distinta dos exoplanetas anteriormente imageados, que são mais quentes e possuem atmosferas com mais nuvens. Feições interessantes adicionais incluem sua idade, o mais velho entre todos os planetas imageados diretamente, bem como sua vasta separação e órbita ao redor de uma estrela da sequência principal com uma massa semelhante ao do Sol.

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Alinhado com o objetivo principal do projeto de usar o Telescópio Subaru para imagear diretamente objetos de massa planetária jovens e estruturas circunstelares localizadas a distâncias relativamente elevadas de suas estrelas centrais, os observadores têm usado o HiCIAO com o Telescópio Subaru para imagear diretamente dois exoplanetas e fornecer imagens detalhadas de mais de dez discos protoplanetários e dois discos de detritos.

Eles têm também detectado interessantes estruturas finas dos discos ao redor de muitas estrelas jovens, que mostram gaps, braços espirais e anéis, essas estruturas podem ser pequenos sinais de planetas. Em adição a isso, a imagem de um companheiro ao redor da estrela HAT-P-7 pode explicar o movimento retrógrado de seu planeta o HAT-P-7b.

O Projeto SEEDS terminou mais de três quartos de suas 120 noites de observações alocadas. Aproximadamente 500 estrelas serão eventualmente observadas, e os resultados estatísticos na frequência de planetas externos fornecerão pistas para a formação de planetas. Os cientistas podem assim endereçar questões como: Quão numerosos são os planetas externos? Onde e como eles se formaram? Como são suas atmosferas?

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A equipe detectou muitos gaps e estruturas de braços espirais em discos na mesma distância radial onde os planetas externos foram descobertos. Planetas dentro dos discos poderiam explicar a formação dessas estruturas e permitir aos cientistas que criem hipóteses que os planetas externos se formaram ou que estão perto de seu nascimento. Os resultados do SEEDS demonstram que essa é a hora de revisitar a teoria atual de formação planetária e incluir nela os planetas externos e as estruturas de disco descobertas.

O SEEDS também explorará as regiões mais internas perto da estrela central com um sistema super avançado de óptica adaptativa chamado de Subaru Telescope Coronographic Extreme Adaptative Optics (SCExAO), que em breve estará disponível. Observações com essa tecnologia prometem contribuir para um melhor entendimento dos sistemas exoplanetários.


Como as observações do SEEDS incluem dados de estrelas muito jovens bem como de outras relativamente velhas, esses dados são e serão usados para explorar a ligação entre os planetas e os discos, bem como a evolução dos sistemas protoplanetários e discos de detritos. Os dados do SEEDS em breve se tornarão uma fonte dominante de informação nesse importante campo de pesquisa por muitos anos.


Fonte:

http://www.subarutelescope.org/Pressrelease/2013/08/04/index.html

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Sérgio Sacani

Sérgio Sacani

Formado em geofísica pelo IAG da USP, mestre em engenharia do petróleo pela UNICAMP e doutor em geociências pela UNICAMP. Sérgio está à frente do Space Today, o maior canal de notícias sobre astronomia do Brasil.

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