Exoplaneta: um mundo com o dobro da massa da Terra, mas o tamanho de Saturno

Kepler-51b tem cerca do dobro da massa da Terra, mas incha até quase o tamanho de Saturno, um planeta que supera a massa da Terra em cem vezes. Esse descompasso entre massa e tamanho é justamente o que faz os exoplanetas, mundos que orbitam estrelas diferentes do Sol, continuarem surpreendendo os astrônomos que os estudam.

Há pouco mais de três décadas, ninguém havia confirmado um único planeta fora do sistema solar. Hoje, milhares estão catalogados, e o número segue crescendo à medida que telescópios espaciais e levantamentos terrestres refinam a busca. Este guia reúne as descobertas, os quase-acertos e a física que tornam os exoplanetas um dos campos mais dinâmicos da astronomia.

Os primeiros exoplanetas confirmados não eram os mundos acolhedores e parecidos com a Terra que a ficção prometia. Eram dois planetas de massa terrestre encontrados orbitando um pulsar de milissegundos, o remanescente colapsado e em rotação vertiginosa de uma estrela morta, anunciados em 1992 por Aleksander Wolszczan e Dale Frail. Os pulsares emitem pulsos de rádio com uma precisão tão regular que pequenas oscilações no tempo denunciavam a gravidade de companheiros invisíveis.

Três anos depois veio uma descoberta que pareceu mais familiar. Em 1995, astrônomos encontraram o primeiro exoplaneta confirmado ao redor de uma estrela da sequência principal parecida com o Sol, em uma órbita apertada de quatro dias ao redor de 51 Pegasi. Os pesquisadores conseguiram identificá-lo com um espectroscópio preciso o suficiente para captar variações de velocidade de cerca de 70 metros por segundo na luz da estrela, o leve puxão gravitacional de um planeta em órbita fazendo sua estrela oscilar para frente e para trás. Essa precisão instrumental, capaz de detectar uma oscilação mais lenta que uma corrida leve, foi o que transformou a caça a exoplanetas de especulação em ciência repetível.

Nem todo exoplaneta se encaixa nas categorias organizadas que os astrônomos construíram a partir dos nossos oito planetas. Kepler-51b tem apenas cerca do dobro da massa da Terra, mas seu volume incha até quase o tamanho de Saturno, um planeta cem vezes mais pesado. Um planeta tão volumoso para sua massa precisa ter uma densidade extraordinariamente baixa, o que sugere uma atmosfera tão extensa e leve que mal consegue se manter coesa.

Os descompassos entre massa e tamanho ocorrem nas duas direções. Entre os registros do Arquivo de Exoplanetas da NASA, nenhum supera em massa HR 2562 b, que chega a cerca de 30 vezes a massa de Júpiter, já o planeta mais pesado do nosso sistema solar. No outro extremo, um levantamento mais amplo de milhares de exoplanetas encontrou um padrão na forma como eles se movem, e não em seu tamanho: planetas grandes tendem a se estabelecer em órbitas elípticas, enquanto planetas menores preferem trajetórias mais próximas do circular. Ninguém planeja um sistema planetário dessa forma; é simplesmente o que a gravidade e os detritos remanescentes produzem ao longo de bilhões de anos.

Alguns exoplanetas não apenas orbitam sua estrela: eles se desintegram lentamente diante dela. Um desses mundos condenados, detectado pelo Kepler, completa uma volta ao redor de sua estrela hospedeira em apenas 16 horas e arrasta uma cauda semelhante à de um cometa, feita de poeira evaporada de sua própria superfície. Os astrônomos só o detectaram porque essa nuvem de poeira atenua periodicamente a luz da estrela ao passar por ela, uma assinatura diferente das quedas limpas e repetíveis de um planeta intacto.

Flagrar um planeta nesse estado exigiu observar um número enorme de estrelas ao mesmo tempo, exatamente para o que o Kepler foi construído: o telescópio monitorava mais de 145.000 estrelas simultaneamente, em busca do breve e sutil escurecimento que sinaliza um exoplaneta em trânsito. A maioria dos planetas descobertos dessa forma se comporta normalmente. Este se destacou justamente por não fazê-lo.

Entre as descobertas do Kepler, Kepler-452b ganhou um apelido por um bom motivo. O planeta é cerca de 60 por cento maior que a Terra e orbita uma estrela do tipo G2, a mesma classe ampla do Sol — exceto que esta já acumulou 6 bilhões de anos, 1,5 bilhão a mais do que nossa própria estrela viveu até agora. Jon Jenkins, líder da análise de dados do Kepler, o chamou de "um primo mais velho e maior da Terra", que permite aos cientistas "compreender e refletir sobre a evolução do ambiente terrestre".

O que torna a órbita de Kepler-452b notável é o quanto ela parece comum, apesar do tamanho maior do planeta: uma volta completa leva 385 dias, apenas 5 por cento a mais do que a Terra precisa para uma volta ao redor do Sol. Seria de se esperar que um planeta tão maior ficasse muito mais distante de sua estrela, mas os números ficam surpreendentemente próximos dos nossos, um lembrete de que tamanho e distância orbital não crescem automaticamente juntos.

Entender o interior de um planeta é mais difícil do que detectá-lo, já que nenhum telescópio consegue enxergar através das nuvens de um planeta. Experimentos de laboratório preenchem essa lacuna recriando as pressões esmagadoras encontradas no fundo dos gigantes gasosos. Comprimir o hidrogênio, na forma de deutério, a cerca de 150 gigapascais de pressão o faz passar de um estado transparente para um opaco, um limiar relevante para modelar o que acontece dentro de exoplanetas gigantes gasosos massivos e seus primos do sistema solar. Resultados como esses permitem aos astrônomos traduzir a massa e o raio medidos de um planeta em uma estimativa fundamentada sobre sua estrutura interna, já que dois planetas com estatísticas externas idênticas podem esconder interiores muito diferentes.

A estrela mais próxima do Sol acabou se revelando dona de seu próprio planeta. Proxima Centauri b, descoberto orbitando essa estrela vizinha, completa uma órbita a cada 11,2 dias terrestres a uma distância de apenas cerca de 0,04848 UA, mais próxima do que a volta de Mercúrio ao redor do Sol. Estar tão perto de sua estrela é o que mantém o planeta quente o suficiente para despertar interesse, apesar de orbitar uma estrela bem mais fraca que o Sol.

Um pouco mais adiante na busca por sistemas planetários próximos, o TRAPPIST-1 trouxe um tipo diferente de prêmio. Seu sistema planetário foi descoberto em 2016 por uma equipe liderada pelo astrônomo belga Michael Gillon, usando observações do Observatório de La Silla, no Chile, revelando uma família compacta de planetas agrupados ao redor de uma estrela pequena e fria. Encontrar um sistema inteiro em uma única campanha, em vez de um planeta de cada vez, mudou a forma como os astrônomos planejam futuras observações.

Todo exoplaneta discutido até agora pertence à nossa própria galáxia. Esse limite se manteve até pesquisadores combinarem o Observatório de Raios X Chandra, da NASA, com uma técnica de microlente gravitacional, observando uma galáxia quasar distante em busca de indícios de planetas invisíveis curvando sua luz. A análise encontrou evidências de cerca de 2.000 planetas extragalácticos para cada estrela além da Via Láctea. Foi o primeiro dado a sugerir que nossa própria galáxia é apenas uma ilha em meio a uma contagem de exoplanetas que ultrapassa um trilhão quando se olha além dela, um número tão grande que transforma planetas individuais em um ruído estatístico de fundo, em vez de objetos discretos a catalogar um a um.

Instrumentos construídos para captar uma única estrela oscilante ou uma única curva de luz em queda nunca foram projetados pensando em um trilhão de planetas. O fato de os mesmos princípios de detecção, minúsculas distorções gravitacionais e ópticas, se estenderem de um único sistema estelar até planetas de uma galáxia inteira diz tanto sobre a engenhosidade dos métodos quanto sobre a real abundância dos planetas.

O próprio hardware do Kepler ilustra o quanto de precisão essa caçada exige. Seu espelho primário media 1,4 metro de diâmetro e, quando o Kepler foi lançado, nenhum outro telescópio em voo além da atmosfera terrestre tinha um maior — um recorde que o Observatório Espacial Herschel tomou apenas alguns meses depois. Construir um instrumento desse tamanho, e apontá-lo para o mesmo trecho do céu por anos, foi o preço para capturar os trânsitos fracos e repetidos que revelam um planeta do tamanho da Terra.

Cada geração da ciência dos exoplanetas se apoiou na anterior: a cronometragem de pulsares deu lugar às oscilações estelares, as oscilações estelares deram lugar à fotometria de trânsito observando centenas de milhares de estrelas de uma vez, e a fotometria de trânsito agora se estende até galáxias além da nossa. A próxima surpresa, seja um planeta mais estranho que Kepler-51b ou evidências que redefinam o quão comuns os planetas realmente são, provavelmente já está em dados à espera de serem analisados.

• ScienceDaily: Under Pressure, Hydrogen Offers a Reflection of Giant Planet Interiors
• NASA: Kepler Mission Discovers Bigger, Older Cousin to Earth
• Phys.org: Evaporating Exoplanet Stirs Up Dust
• National Geographic: New Discovery Says Exoplanets May Exist Outside the Milky Way Galaxy
• Wikipedia: Exoplanet
• Wikipedia: 51 Pegasi b
• Wikipedia: Kepler space telescope
• Wikipedia: Proxima Centauri b
• Wikipedia: TRAPPIST-1