Ilustração das distâncias orbitais e tamanhos relativos dos quatro planetas mais interiores em redor da estrela 55 Cancri A (baixo) em comparação com planetas no nosso Sistema Solar (topo). Tanto Júpiter como o planeta 55 Cancri "d" (com massa parecida à de Júpiter) estão fora da imagem, orbitando as suas estrelas a uma distância de quase 5 UA (unidades astronômicas), onde uma UA é igual à distância média entre a Terra e o Sol. Créditos: Centro para Exoplanetas e Mundos Habitáveis, Universidade Penn State
Os autores de um artigo científico publicado na revista Monthly Notices da Sociedade Astronômica Real relatam que foram resolvidos alguns dos mistérios de um dos mais fascinantes sistemas planetários próximos.
O estudo, que apresenta o primeiro modelo viável para um dos primeiros sistemas planetários descobertos - o sistema 55 Cancri - foi liderado por Benjamin Nelson da Universidade Penn State em colaboração com o corpo docente do Centro Para Exoplanetas e Mundos Habitáveis e com cinco astrônomos de outras instituições dos EUA e da Alemanha.
Estudos desde 2002 não conseguiram determinar um modelo plausível para as massas e órbitas de dois planetas gigantes localizados mais perto de 55 Cancri do que Mercúrio está do nosso Sol. Os astrônomos tinham dificuldades em compreender como estes planetas massivos orbitando tão perto da sua estrela-mãe, conseguiam evitar uma catástrofe, como por exemplo o suicídio de um planeta na estrela, ou a colisão entre os dois. Agora, o novo estudo combinou milhares de observações com novas técnicas estatísticas e computacionais para medir com mais precisão as propriedades dos planetas, revelando que as suas massas e órbitas impedem com que o sistema se autodestrua.
"O sistema planetário de 55 Cancri é único, tanto na sua riqueza de diversidade dos seus planetas conhecidos como no número e variedade de observações astronômicas," afirma Eric Ford, professor de astronomia e astrofísica de Penn State, e co-autor do artigo. "A complexidade deste sistema torna as suas observações extraordinariamente difíceis de interpretar," realça, cuja experiência inclui a modelagem de conjuntos complexos de dados.
A fim de executar as novas análises, Nelson e Ford colaboraram com cientistas da computação para desenvolverem uma ferramenta para simular sistemas planetários usando placas gráficas para acelerar os cálculos. Através da combinação de vários tipos de observações, os astrônomos determinaram que um dos planetas no sistema (55 Cnc e) tem oito vezes a massa da Terra, o dobro do raio da Terra e a mesma densidade que a Terra. Este planeta é quente demais para ter água no estado líquido, pois a sua temperatura à superfície está estimada em 2100 graus Celsius, logo não é suscetível de abrigar vida.
Foi apenas em 2011, 8 anos após a descoberta do planeta mais interior (55 Cnc e), que os astrônomos reconheceram que orbitava a sua estrela em menos de 18 horas, em vez de quase 3 dias, como se originalmente pensava. Logo depois, os astrônomos detectaram o planeta em trânsito à medida que passava em frente da estrela, permitindo medir também o tamanho relativo do planeta.
"Estes dois planetas gigantes de 55 Cancri interagem tão fortemente que podemos detectar mudanças nas suas órbitas. Estas detecções são impressionantes porque nos permitem aprender mais coisas sobre as órbitas que normalmente não são observáveis. No entanto, as rápidas interações entre os planetas também constituem um desafio pois a modelagem do sistema requer simulações demoradas para cada modelo em ordem a determinar as trajetórias dos planetas e, portanto, a probabilidade de sobrevivência durante bilhões de anos sem uma colisão catastrófica," afirma Benjamin Nelson.
"Temos que explicar com precisão o movimento dos planetas gigantes, a fim de medir as propriedades do planeta super-Terra," realça Ford. "A maioria das análises anteriores ignoraram as interações entre planetas. Alguns destes estudos modelaram os efeitos, mas apenas realizaram análises estatísticas simples, devido ao grande número de cálculos necessários para uma análise adequada."
"Esta conquista é um exemplo dos avanços científicos que surgem da pesquisa multidisciplinar intensiva," comenta Padma Raghavan, professora de ciência da computação e engenharia.
O sistema planetário 55 Cancri fica a apenas 39 anos-luz de distância na direção da constelação de Caranguejo. Por estar tão perto, pelos padrões astronômicos o sistema tem um bom brilho quando visto da Terra, por isso os astrônomos foram capazes de medir diretamente o raio da sua estrela - uma observação que é prática apenas para alguns dos nossos vizinhos estelares mais próximos. A determinação do raio da estrela possibilitou aos astrônomos obterem medições precisas da sua massa - quase a mesma massa que o nosso Sol - bem como o tamanho e densidade do planeta super-Terra.
"Tendo em conta que 55 Cancri é muito brilhante e pode ser vista a olho nu, os astrônomos foram capazes de medir a velocidade desta estrela mais de mil vezes em quatro observatórios diferentes, dando aos planetas neste sistema muito mais atenção do que a maioria dos exoplanetas recebem," comenta o professor Jason Wright, também de Penn State, que liderou um programa para examinar este e outros sistemas planetários.
Os astrônomos descobriram que 55 Cancri tinha um planeta gigante em órbita em 1997. Observações a longo prazo por Wright e colegas tornaram possível a detecção de cinco planetas em órbita, que variam desde um frio planeta gigante com uma órbita parecida à de Júpiter, até uma escaldante "super-Terra" - um tipo de planeta com uma massa maior que a da Terra mas substancialmente inferior à de Netuno, que tem uma massa 17 vezes maior que a do nosso planeta.
Alexander Wolszczan, professor de astronomia e astrofísica da mesma universidade, e seu colega Dale Frail, descobriram os primeiros planetas fora do nosso Sistema Solar. Estes planetas orbitam um distante pulsar e foram as primeiras super-Terras conhecidas. Observações recentes pela missão Kepler da NASA demonstram que as super-Terras são comuns em torno de estrelas semelhantes ao Sol.
O estudo conduzido por Nelson faz parte de um esforço maior para desenvolver técnicas que irão ajudar na análise de observações futuras na procura de planetas parecidos com a Terra. Os astrônomos planejam pesquisar planetas com a massa da Terra em redor de outras estrelas próximas e brilhantes, usando uma combinação de novos observatórios e instrumentos como o projeto MINERVA e o HPF (Habitable Zone Planet Finder) para o telescópio Hobby-Eberly de 9 metros.
"Os astrônomos estão desenvolvendo instrumentação de ponta para os maiores telescópios do mundo detectarem e caracterizarem planetas potencialmente parecidos com a Terra. Estamos juntando estes esforços com o desenvolvimento de ferramentas computacionais e estatísticas de ponta," comenta Ford.
Nelson vai apresentar os resultados do novo estudo numa reunião da União Astronômica Internacional em Namur, Bélgica, em Julho de 2014. Além dos astrônomos de Penn State, os co-autores do estudo pertencem à Universidade da Flórida, Universidade de Yale, do Instituto Max Planck para Astronomia na Alemanha, Universidade do Hawaii e do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica.
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