À procura de exoplanetas de carbono, fósseis do Universo primordial

A vida primordial no Universo pode ter se formado em exoplanetas de carbono

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Nessa concepção artística um exoplaneta de carbono orbita uma estrela com massa similar ao Sol no Universo primordial. Sistemas estelares jovens, com deficiência de elementos mais pesados, porém relativamente ricos em carbono, poderiam formar eventualmente mundos constituídos principalmente de grafite, carbonetos e diamante ao invés das rochas de silicatos abundantes aqui na Terra. As manchas azuis denotam onde a água se acumulou na superfície do exoplaneta, formando assim habitats potenciais para a vida alienígena. Créditos: Ilustração de autoria de Christine Pulliam (CfA); Imagem do Sol fornecida pela NASA/SDO.

A primeira geração de estrelas no Universo começou a brilhar em uma era onde elementos químicos tais como o carbono e o oxigênio não estavam disponíveis. No entanto, foram as explosões dessas primeiras estrelas como supernovas que deram início ao processo de enriquecimento do Universo, com elementos mais pesados se fundindo nos núcleos estelares e depois sendo distribuídos pelos Cosmos, através das supernovas. As estrelas de menor massa e os sistemas planetários primordiais foram surgindo à medida que os elementos mais pesados (que o Hidrogênio e o Hélio) puderam se juntar em grãos de poeira que por sua vez se uniram para construir os núcleos planetários.

Estrelas CEMP: ricas em Carbono, mas pobre em metais

Avi Loeb junto com a estudante de graduação Natalie Mashian (ambos pertencentes ao Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) têm pesquisado procurando por um tipo particular de classe estelar, composta de corpos antigos, denominado de CEMP (Carbon-Enhanced Metal-Poor), ou seja, estamos considerando as estrelas ricas em carbono, porém pobres em metais.

Nas estrelas CEMP a quantidade de ferro encontrada é cerca de 100.000 vezes menor que temos no nosso Sol, ou seja, um marcador claro de que essas estrelas se formaram antes que os elementos mais pesados que o carbono fossem largamente distribuídos pelo Universo. As estrelas CEMP são interessantes porque, a despeito da falta de ferro e outros elementos pesados em comparação com o Sol, tratam-se de objetos ricos em carbono e o excesso desse elemento pode nos levar a possibilidade da existência de exoplanetas que eventualmente se formaram a partir de aglomerações de grãos de poeira de carbono.

Exoplanetas de grafite, carbonetos e diamante?

O novo artigo que reporta esse trabalho sugere a possibilidade da formação de exoplanetas de carbono, fazendo referência a prévios estudos que simularam tais tipos de objetos e observações indicativas de exoplanetas conhecidos que abrigam atmosferas ricas em carbono (veja artigo sobre WASP-12b) e possuem interiores ricos em carbono (leia sobre 55 Cancri e). Se esses mundos de grafite, carbonetos e diamante estão por aí, encontrá-los em volta de estrelas CEMP pode ser um exercício produtivo.

Avi Loeb explicou:

Essas estrelas são fósseis do Universo jovem e ao estudá-las nós podemos olhar como os planetas e talvez a vida no Universo começaram.

Loeb e Mashain apontam que o sistema planetário com a mais baixa metalicidade [1] até hoje já detectado pertence a estrela da classe K (anã laranja) BD+20 2457, a qual mostra níveis de metais abaixo do que hoje os cientistas consideram como índice mínimo para que os planetas se formem.

Como detectá-los?

Embora a estrelas CEMP sejam extremamente deficientes em ferro, as suas abundâncias de carbono fazem que a formação de sólidos planetas de carbono sejam uma efetiva possibilidade. Contudo, a diferenciação destes exoplanetas de carbono dos planetas constituídos de água e silicatos pode ser muito difícil. No entanto, o artigo argumenta que os estudos espectrais das atmosferas planetárias poderiam suprir os marcadores e as evidências necessárias a essa detecção:

Em temperaturas elevadas (T ≳ 1.000 Kelvin), os espectros de absorção de exoplanetas massivos (massas entre ~ 10 e 60 M⊕) de carbono são esperados que sejam dominados pelo CO (monóxido de carbono), em contraste com os espectros dominados pela H₂O (água), comuns nos massivos e quentes exoplanetas com composições atmosféricas tipicamente solares [Kuchner & Seager 2005].

As atmosferas de exoplanetas de carbono com baixa massa (M ≲ 10 M⊕) são esperadas que sejam diferenciáveis dos exoplanetas de composições-solares devido a abundância esperada de CO (monóxido de carbono) e CH4 (metano), além da ausência de gases ricos em oxigênio, tais como o CO₂(dióxido de carbono), o O₂ (oxigênio molecular) e o O₃ (ozônio) [Kuchner & Seager 2005].

Assim, a detecção da presença de monóxido de carbono e metano na atmosfera poderiam ser marcadores de mundos de carbono de massa similar e tamanho físico tais como os planetas de silicato, como a Terra. A detecção de planetas de carbono orbitando estrelas antigas poderia nos fornecer um vislumbre da formação planetária no Universo primordial, com implicações de como a vida teria surgido nos primeiros tempos. O artigo sugere a criação de um programa observacional usando métodos de trânsito para a busca de exoplanetas em volta de estrelas CEMP.

Mashian concluiu:

Este trabalho demonstra que mesmo as estrelas com uma pequena fração de elementos pesados podem hospedar exoplanetas. Nós temos boas razões para acreditar que a via alienígena deve ser baseada em carbono, como a vida que conhecemos aqui na Terra. Assim, isso também concorda com a possibilidade da existência de vida no Universo primordial.

O artigo assinado por Mashian and Loeb, intitulado “CEMP stars: possible hosts to carbon planets in the early Universe”, foi publicado na MNRAS (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society).

Nota

[1] Metalicidade: Em astronomia e cosmologia física, a metalicidade (também chamada Z) de um objeto é a proporção da sua matéria constituída de elementos químicos diferentes do hidrogênio e hélio. Como as estrelas, que se constituem na maior parte da matéria visível do universo, são compostas principalmente de hidrogênio e hélio, os astrônomos usam por conveniência o termo genérico “metal” para descrever todos os outros elementos coletivamente. Assim, uma nebulosa rica em carbono,nitrogênio, oxigênio e neônio seria “rica em metais” em termos astrofísicos, embora esses elementos sejam não-metais na química. Este termo não deve ser confundido com a definição usual de “metal“; ligações metálicas são impossíveis no interior de estrelas, e as ligações químicas mais fortes só são possíveis nas camadas externas de estrelas frias tipos K e M. A química normal, portanto, tem pequena ou nenhuma relevância no interior estelar.