Anãs Vermelhas I: o fator da água em exoplanetas habitáveis

As pequenas estrelas anãs vermlhas classe M, o tipo mais comum de estrela em nossa galáxia, provavelmente serão o alvo principal de nossas primeiras investigações de planetas habitáveis. O pequeno tamanho dessas estrelas e a significativa profundidade de trânsito permite a detecção quando um exoplaneta cruza sua superfície na linha de visada. Tal significa que a análise atmosférica por telescópios terrestres e espaciais deve ser viável via espectroscopia de transmissão. Estudos recentes mostraram que o JWST (Telescópio Espacial James Webb) tem precisão para caracterizar, pelo menos parcialmente, as atmosferas de planetas da classe da Terra em torno de algumas anãs classe M.

Telescópios terrestres extremamente grandes, a serem comissionados em breve, também desempenharão um papel enquanto examinamos os sistemas de trânsito próximos. Mas as estrelas anãs vermelhas M são lares desafiadores para a vida, se é que a vida poderia existir por lá. Além da atividade instável de suas formidáveis explosões estelares (stelar flares [1]), também temos que contar com a presença de água no exoplaneta. Muito água poderia suprimir o intemperismo no ciclo geoquímico do carbono, mas pouca água impossibilitaria o desenvolvimento de um clima temperado. Assim, novos trabalhos sobre o teor de água em tais sistemas são bem-vindos.

Para fins de referência, a água do mar da Terra representa 0,023% da massa total do planeta. De acordo com Tadahiro Kimura, estudante de doutorado na Universidade de Tóquio, e Masahiro Ikoma (National Astronomical Observatory of Japan), uma série de modelos sugerem que os planetas terrestres em torno de anãs M teriam muita água ou nenhuma água. Os planetas habitáveis ​​em torno de tais estrelas, então, seriam uma raridade celestial?

Em artigo na Nature Astronomy, os autores argumentam que existe um mecanismo além da queda de planetesimais gelados que pode produzir água à medida que um planeta jovem acumula sua atmosfera. Envolve interações entre a atmosfera rica em hidrogênio, extraída do disco protoplanetário, e o oceano de magma que estaria presente nos impactos durante os primeiros dias da formação do planeta. A água é acumulada por meio da reação química entre o hidrogênio atmosférico e os óxidos encontrados no magma da superfície – um ‘oceano’ de magma – do jovem planeta. Conforme o artigo científico:

…a água pode ser produzida secundariamente em uma atmosfera primordial de origem nebular através da reação do hidrogênio atmosférico com minerais oxidantes do oceano de magma, que é formado por causa do efeito de manta atmosférica[8], enriquecendo assim a atmosfera primordial com água. Ao assumir a produção efetiva de água, mostramos recentemente que planetas com massa próxima à Terra podem adquirir quantidades suficientes de água para que seu vapor atmosférico sobreviva em ambientes ultravioleta hostis em torno de estrelas M pré-sequência principal [9]. Os resultados sugerem que a inclusão desse processo de produção de água afeta significativamente a distribuição prevista da quantidade de água de exoplanetas na zona habitável em torno das anãs M.

Kimura & Ikoma

Nesse cenário, a quantidade de água presente depende de como o planeta se forma. Os autores Kimura & Ikoma criaram um modelo de síntese da população planetária que rastreia a massa e a evolução orbital dos planetas em formação, incluindo, entre outras coisas, a estrutura do disco protoplanetário, migração orbital potencial, instabilidades em sistemas multiplanetários e os efeitos da produção de água no planeta. atmosfera primordial. O modelo, que refina o apresentado em artigo anterior dos mesmos pesquisadores, permite calcular a quantidade de água que deve ser produzida pela interação atmosfera/magma.

A gama de resultados da água é ampla, mas se a restringirmos a planetas com frações de massa de água do mar semelhantes à Terra, a maior parte dessa água é encontrada através da interação atmosfera/magma, e não por impactos de cometas e outros objetos que contêm água. E acontece que uma pequena porcentagem dos planetas com um raio entre 0,7 e 1,3 vezes o da Terra (R⊕) produzem a quantidade certa de água para sustentar climas temperados. Deixe-me citar o artigo sobre isso – observe que na passagem abaixo, a sigla HZ-NEMP se refere a planetas com massa quase terrestre na zona habitável:

Os HZ-NEMPs de 0,7–1,3 R⊕… perderam completamente suas atmosferas de hidrogênio, terminando com planetas rochosos cobertos por oceanos. Acontece que esses planetas são diversos em conteúdo de água e incluem planetas com conteúdo de água semelhante à Terra. Vários estudos climáticos discutem as quantidades de água do mar apropriadas para climas temperados, considerando os efeitos do intemperismo do fundo do mar, gelo de alta pressão, o ciclo da água e a distribuição heterogênea de águas superficiais… De acordo com esses estudos, a quantidade apropriada de água do mar varia de ∼0,1 a 100 vezes a da Terra.

Kimura & Ikoma

Claramente, a seleção de alvos para habitabilidade de exoplanetas se beneficiaria ao excluir planetas que provavelmente não seriam habitáveis, o que, de acordo com este artigo, incluiria mundos de zonas habitáveis ​​com raios > 1,3R⊕ que possuem oceanos profundos com gelo de alta pressão e planetas com frações de massa oceânica superiores a 100 vezes a da Terra. Os autores acreditam que devemos ser capazes de identificar esses mundos se a massa e o raio planetários puderem ser medidos com ≲ 20% e 5% de precisão, respectivamente. Depois de eliminá-los, voltamos para planetas na faixa de 0,7 a 1,3R⊕. Os autores se referem a eles como “pobres em água”, em comparação com seus primos maiores, mas ainda podem ter frações de água do mar semelhantes às da Terra:

… os HZ-NEMPs com quantidades apropriadas de água do mar para habitabilidade são estimados em aproximadamente 5% dos “planetas rochosos pobres em água” orbitando anãs de 30% da massa solar, classe M. Esta frequência torna-se maior para massa estelar maior, e em torno de 0,5 milhões de estrelas, por exemplo, espera-se que mais de 10% dos planetas rochosos pobres em água tenham as quantidades apropriadas de água do mar.

Kimura & Ikoma

Portanto, 5% a 10% dos exoplanetas orbitando anões M na faixa de tamanho apropriada (< 1,3R⊕) têm a fração de água necessária para a habitabilidade. O artigo faz esta previsão: missões de pesquisa como o TESS e o próximo PLATO devem detectar aproximadamente 100 planetas do tamanho da Terra na zona habitável em torno de M-anãs. 5 a 10 deles, de acordo com este modelo, provavelmente são planetas com oceanos e climas temperados, um forte contraste com estudos anteriores que sugeriam que tais mundos não deveriam existir…

O artigo científico assinado por Kimura & Ikoma, intitulado “Predicted diversity in water content of terrestrial exoplanets orbiting M dwarfs”, está disponível em Nature Astronomy (29 de setembro de 2022).

O artigo anterior dos autores sobre o enriquecimento da água (Kimura & Ikoma), “Formation of aqua planets with water of nebular origin: effects of water enrichment on the structure and mass of captured atmospheres of terrestrial planets”, foi publicado em Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 496, 3755 (2020).

Nota [1]

Uma explosão solar é uma intensa erupção localizada de radiação eletromagnética na atmosfera do Sol. As erupções ocorrem em regiões ativas e são frequentemente, mas nem sempre, acompanhadas por ejeções de massa coronal, eventos de partículas solares e outros fenômenos solares. A ocorrência de explosões solares varia com o ciclo solar de 11 anos. Acredita-se que as explosões solares ocorram quando a energia magnética armazenada na atmosfera do Sol acelera as partículas carregadas no plasma circundante. Isso resulta na emissão de radiação eletromagnética em todo o espectro eletromagnético. A radiação eletromagnética de alta energia das explosões solares é absorvida pelo lado diurno da atmosfera superior da Terra, em particular a ionosfera, e não atinge a superfície. Essa absorção pode aumentar temporariamente a ionização da ionosfera, o que pode interferir na comunicação de rádio de ondas curtas. A previsão de erupções solares é uma área ativa de pesquisa. As erupções também ocorrem em outras estrelas, como citado acima, onde se aplica o termo erupção estelar (stelar flare). Leia: SWIFT testemunhou a fúria de uma anã vermelha em explosão colossal

Fonte

Centauri Dreams: M-Dwarf Habitable Planets: The Water Factor por Paul Gilster

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