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jan 30

Como mini-netunos podem se transformar em super-terras habitáveis em sistemas de anãs vermelhas?

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Irradiação forte da estrela anã vermelha hospedeira pode fazer com que exoplanetas conhecidos como mini-netunos na zona habitável expulsem suas camadas externas gasosas para o espaço e se tornem super-terras potencialmente habitáveis. Créditos: Rodrigo Luger / NASA

Recentemente olhamos um artigo de Rodrigo Luger e Rory Barnes (Universidade de Washington), onde os cientistas estudaram o caso de exoplanetas na zona habitável de uma anã vermelha que passaram por uma era de torturas provocadas pela sua estrela hospedeira. Por causa da força das marés, causando vulcanismo intenso na superfície e também pela intensa atividade estelar das estrelas jovens, a oferta da água de superfície no exoplaneta pode ter sido totalmente perdida. À medida que a anã vermelha se desenvolve lentamente na sequência principal, a camada superior da atmosfera de um exoplaneta, que acabará eventualmente a pertencer a zona habitável da anã vermelha, pode ser aquecida o suficiente para fazer com que o seu hidrogênio escape para o espaço.

Devemos nos lembrar que as estrelas anãs-vermelhas (classe M) têm uma fase de contração muito lenta (comparada com estrelas mais massivas, anãs laranjas classe K ou anãs amarelas classe G), que pode durar até um bilhão de anos. Isso expõe os exoplanetas formados em futuras zonas habitáveis à radiação extrema, com a perda do hidrogênio levando-os a uma superfície desidratada e hostil à vida. Nesses mundos, um involucro denso de oxigênio poderá eventualmente permanecer, tornando-se um caso em que podemos detectar oxigênio e equivocadamente e pensar que o exoplaneta com atmosfera de oxigênio apresenta uma falsa bio-assinatura (os detalhes sobre isso estão no artigo Enter the ‘Mirage Earth’).

Transformação de mini-netunos em super-terras

Mas, há ‘o outro lado da moeda’ nesta história, considerando os exoplanetas que não necessariamente permanecem na posição orbital onde se formaram. As forças de maré também podem causar que um exoplaneta se aproxime de sua estrela, em um processo conhecido como migração planetária. Barnes e Luger têm utilizado modelos computacionais para mostrar que as mesmas forças de distorção por marés e a fuga atmosférica pode fazer com que um exoplaneta, que começou sua vida como um “mini-netuno”, em região mais afastada do sistema estelar, seja transformado em um mundo potencialmente habitável, uma super-terra adequada a vida.

Um mini-netuno que se formou suficientemente longe da sua estrela-mãe para formar um gelado, núcleo rochoso e uma atmosfera densa de hidrogênio e hélio em zona habitável da estrela, pode eventualmente migrar para dentro da zona habitável estelar, onde os níveis de raios-X e radiação ultravioleta são muito superiores. Agora, na nova posição, a perda de gases atmosféricos pode ser uma grande vantagem, pois se as condições forem adequadas, um mundo rochoso livre da espessa atmosfera de hidrogênio pode emergir. A diminuição da radiação estelar é íngreme com o tempo, levando à perda de massa desprezível depois de cerca de um bilhão de anos. O resultado produzido é o que os pesquisadores chamam de “núcleo habitável evaporado” (HEC – habitable evaporated core), em um mundo que é provável que tenha recursos hídricos abundantes graças ao núcleo de gelo da sua formação inicial.

É claro que o timing é tudo nesse processo. Suponha uma perda bastante lenta de hidrogênio e hélio e atmosfera pesada permanecerá no exoplaneta, enquanto a estrela continua a esfriar. Ficamos, no final, com um mini-netuno na zona habitável, um mundo inóspito para a vida. Por outro lado, as simulações indicam, a muito rápida perda de hidrogênio pode resultar em um efeito estufa descontrolado, gerando um mundo completamente seco. Mas, eventualmente pode-se acontecer que o mini-netuno acabe se transformado em um exoplaneta menor e rochoso na zona habitável de sua estrela. Seja ou não esse mundo adequado para a vida, tal é uma pergunta que os pesquisadores pretendem estudar.

Luger explicou:

De qualquer maneira, esses núcleos evaporados estão, provavelmente, à espreita lá fora, nas zonas habitáveis ​​dessas estrelas e muitos podem ser descobertos nos próximos anos.

Então, exoplanetas habitáveis ​​ao redor anãs vermelhas classe M podem ser aqueles que se formaram longe da estrela hospedeira como mini-netunos ricos em gás, mundos que migraram cedo para a zona habitável vindo originalmente das regiões mais distante, além da linha de neve. A densa atmosfera de hidrogênio/hélio, neste caso, torna-se uma forma de proteger a superfície dos altos níveis de radiação emitidos pela estrela que continua a se contrair. A partir das simulações computacionais, os pesquisadores afirmam que até algumas massas terrestres de hidrogênio e hélio podem ser removidas de tais exoplanetas em um processo que pode transformá-los em núcleos evaporados habitáveis​. Do artigo científico:

Este processo é mais provável para mini-netunos com núcleos sólidos da ordem de 1 M (= uma vez a massa da Terra) e até cerca de 50% H/He do total da massa, e pode ocorrer em torno de todas as anãs vermelhas classe M, especialmente perto da extremidade interior da ZH (zona habitável). Todavia, os HECS (HEC = “núcleo habitável evaporado”) são menos propensos a se formar em torno estrelas anãs classe K ou G por causa das suas fases superluminosas mais curtas antes da sequência principal e do tempo mais reduzido da saturação de emissão de raios-X e UV. Além disso, descobrimos que as HECS não podem se formar a partir de mini-netunos com massas central superior a cerca de 2 M⊕ com mais do que um por cento de H/He do total em massa. Assim, super-Terras massivas atualmente nas HZs de anãs marrons provavelmente sempre foram rochosas. Os nossos resultados são, portanto, semelhantes aos de Lammer et al . (2014), que mostrou que os exoplanetas mais massivos do que ~ 1,5 M⊕ normalmente não podem perder o seu acrescido gás nebular nas ZHs das estrelas do tipo solar.

Sistemas com estrelas classe M são bons alvos para a descoberta de planetas potencialmente habitáveis​​, com as suas zonas habitáveis ​​perto da estrela e pela possibilidade de observações de trânsitos profundos de mundos tipo Terra ou maiores se ocultando o disco estelar. Então, quando começamos a detectar planetas com a massa da Terra ao redor das anãs classe M nos próximos anos, poderemos eventualmente estar observando núcleos habitáveis evaporados, exoplanetas de interesse obviamente astro-biológicos.

Para saber mais leia sobre os processos de desenvolvimento das atmosferas em exoplanetas [ o estudo de Lammer et al (2014) ] em: As Super Terras podem ser problemáticas para a vida?

O artigo intitulado “Habitable Evaporated Cores: Transforming Mini-Neptunes into Super-Earths in the Habitable Zones of M Dwarfs“, assinado por Rodrigo Luger, Rory Barnes, Eric Lopez, Jonathan Fortney, Brian Jackson e Victoria Meadows, foi publicado em janeiro de 2015 em Astrobiology Vol. 15, Issue 1, pp. 57-88 (abstract).

Fontes

Centauri Dreams: A Mini-Neptune Transformation?

Phys.org: Some potentially habitable planets began as gaseous, Neptune-like worlds

Artigo Científico

ArXiv.org: Habitable Evaporated Cores: Transforming Mini-Neptunes into Super-Earths in the Habitable Zones of M Dwarfs por Rodrigo Luger, Rory Barnes, Eric Lopez, Jonathan Fortney, Brian Jackson e Victoria Meadows

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