Exoplanetas tipo Terra têm interiores similares ao da Terra?

Passamos da descoberta da presença de exoplanetas para o passo seguinte do estudo suas atmosferas através da análise dos espectros produzidos quando um exoplaneta transita em frente da sua estrela. Contudo, ainda estamos nos estágios iniciais de deduzir padrões climáticos em alguns mundos distantes. Agora, nós estamos começando a sondar o interior dos exoplanetas para saber se a sua estrutura interna é de alguma forma parecida com a da Terra.

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Esta ilustração compara as estruturas da Terra (à esquerda) com a do exoplaneta Kepler-93b (à direita), que tem 1,5 vezes o tamanho da Terra e é 4 vezes mais massivo. Uma nova pesquisa sugere que os mundos rochosos partilham estruturas parecidas, com um núcleo que contém cerca de um-terço da massa total, rodeado por um manto e coberto por uma crosta fina. Créditos: M. Weiss/CfA

Todas as crianças aprendem na escola a estrutura básica da Terra: uma fina crosta exterior, um manto espesso e um núcleo com o tamanho de Marte. Mas será que esta estrutura é universal? Será que os exoplanetas rochosos que orbitam outras estrelas têm as mesmas três camadas? Um novo estudo sugere que a resposta é positiva, ou seja, que os exoplanetas rochosos terão interiores muito semelhantes ao da Terra.

Li Zeng, membro do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica, autor principal do estudo, explicou:

Nós queríamos ver quão parecidos com a Terra são estes exoplanetas rochosos. Descobrimos que são muito semelhantes a Terra.

Para chegar a esta conclusão, Li Zeng e os coautores do artigo aplicaram um modelo computacional conhecido como PREM (Preliminary Reference Earth Model), que é o modelo padrão para o interior da Terra. Os cientistas ajustaram o modelo para acomodar massas e composições diferentes e os aplicaram a seis exoplanetas rochosos cujas massas e diâmetros são bem conhecidas.

Conforme descrito no artigo científico (páginas 10 e 11, item 3.2):

Estes exoplanetas densos entre 2 M_⊕ e 5 M_⊕ (1 M_⊕ = 1 vez a Massa da Terra) até agora parecem estar de acordo com a relação massa versus raio com uma CMF [ fração de núcleo x massa ] ≈ 0,26, sugerindo que eles são como a Terra em termos de suas proporções de manto e núcleo. Mas, suas condições de superfície são totalmente diferentes quando eles são muito quentes. Isto é devido às condições da observação nas quais, atualmente, torna-se muito mais fácil para nós para detectar planetas em órbitas bem próximas de suas das estrelas. O fato de que agora observamos tantos deles sugere que pode haver análogos semelhantes à Terra abundantes em distâncias adequadas de suas estrelas para permitir a existência de água líquida em sua superfície.

Os cientistas descobriram que todos os outros exoplanetas, apesar das suas diferenças em relação à Terra, têm um núcleo de níquel/ferro que corresponde a cerca de 30% da massa do exoplaneta. Em comparação, cerca de um-terço da massa da Terra está no seu núcleo. A massa restante está no manto e na crosta, assim como na Terra.

Li Zeng acrescentou:

Nós apenas passamos a entender relativamente a estrutura da Terra há aproximadamente cem anos. Agora podemos calcular as estruturas de exoplanetas orbitando outras estrelas, apesar de não os podermos visitar.

A nova codificação também pode ser aplicada a mundos gelados de menor porte, como as luas ou planetas anões no Sistema Solar exterior. Por exemplo, ao inserir a massa e o tamanho de Plutão, a equipe determinou que cerca de um-terço é gelo (principalmente de água congelada, mas também amônia e metano congelado).

O modelo assume que os exoplanetas distantes têm composições químicas semelhantes à da Terra. Tal premissa é razoável com base nas abundâncias relevantes dos elementos químicos essenciais como ferro, magnésio, silício e oxigênio em sistemas próximos.

Do artigo, páginas 9 e 10, item 3.2:

A teoria de formação planetária corrente sugere que a nebulosa solar foi inicialmente aquecida a temperaturas muito elevadas, na medida em que praticamente tudo foi vaporizado com exceção de uma pequena quantidade de grãos pré-solares. […] A nebulosa então esfriou para condensar vários elementos e associações minerais da fase de vapor em diferentes temperaturas de acordo com a sequência de condensação. […] Liga de metais Fe-Ni [ferro-níquel] e silicatos de Magnésio (Mg) se condensam em torno temperaturas semelhantes de 1.200 K a 1.400 K (dependendo da pressão do gás nebulosa) de acordo com o cálculo de condensação termodinâmico […] O Oxigênio (O), por outro lado, não tem uma gama de temperaturas de condensação estreita, uma vez que é muito abundante e que prontamente se combina com todos os tipos de metais para formar óxidos que se condensam em várias temperaturas distintas, bem como os elementos H [hidrogênio], N [nitrogênio], C [carbono] para formar gelos condensados em temperaturas relativamente baixas […] Apoiado pelo estudo das anãs brancas poluídas, esperamos que outros sistemas exoplanetários tenham seguido sequência condensação semelhante ao Sistema Solar em um ambiente nebular dominado pelo Hidrogênio com os principais elementos: Fe [Ferro], Mg [magnésio], Si [silício] e O [oxigênio].

No entanto, exoplanetas que se formem em regiões mais ou menos ricas em metais da Galáxia podem mostrar estruturas interiores diferentes. O time de cientistas almeja explorar estas questões em pesquisas futuras.

O artigo que descreve este trabalho, intitulado “Mass-Radius Relation for Rocky Planets based on PREM“, assinado por Li Zeng, Dimitar Sasselov e Stein Jacobsen, foi aceito para publicação no The Astrophysical Journal.