Estrelas e planetas fora dos eixos, ou a história atípica de mundos distantes

Os planetas orbitam as estrelas, e as estrelas rodam sobre si próprias, mas será que estes dois movimentos estão sempre alinhados? Pormenores como este estão escondidos na luz das estrelas, e ajudam os astrofísicos a contar a história de mundos distantes.

Conceção artística de um planeta que ocupa uma órbita improvável em torno de uma estrela dupla, acentuadamente inclinada em relação ao eixo de rotação das estrelas e ao plano de translação do conjunto dos outros corpos.

Fotografia de NASA, ESA, e M. Kornmesser (ESA/Hubble)
Por Charlotte Gehan
Publicado 27/10/2021, 10:36

Este artigo foi escrito por uma colaboradora do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) no âmbito da parceria editorial com a National Geographic.

Não é novidade que o nosso planeta se move em volta do Sol. Menos popular é o facto de o plano da sua órbita estar inclinado de apenas 7,25 graus em relação ao equador da nossa estrela. E se o Sistema Solar fosse um carrossel maluco e a Terra passasse por cima e por baixo dos polos do Sol? Aparentemente, apenas cometas de longa distância têm este tipo de órbitas, mas será assim também nos outros sistemas estelares? Primeiro temos de começar pela estrela, e descobrir para onde está a apontar o seu eixo de rotação.

De facto, as estrelas rodam sobre elas próprias, e o seu eixo de rotação pode estar a apontar para qualquer direção. Por isso, esse eixo pode estar mais ou menos inclinado em relação a nós, aqui na Terra. Por outras palavras, quando olhamos para uma estrela no céu noturno, poderemos estar a olhar para um dos seus polos, para o seu equador, ou para qualquer outra região intermédia.

Uma vez sabendo a orientação com que uma estrela se nos apresenta, estaremos não apenas melhor preparados para dizer como é que ela se formou, mas também, para estrelas que albergam planetas, para responder a uma pergunta que parece não ter nada que ver: serão os seus planetas adequados ao desenvolvimento de vida?

De modo a ajuizar sobre a habitabilidade de um planeta extrassolar, ou exoplaneta, temos de preparar o seu cartão de identidade: qual o seu tamanho, massa e distância da sua estrela, e se é gasoso como Júpiter, ou rochoso como a Terra. Praticamente todos esses mundos longínquos são invisíveis mesmo para os mais potentes telescópios atuais. Por isso, a sua história só pode ser reconstituída através de uma caraterização muito detalhada da sua estrela-mãe.

Precisaremos então de conhecer o tamanho e a massa da estrela, e determinar o quão evoluída ela é. É uma estrela parecida com o nosso Sol, ou uma estrela numa fase muito mais avançada da sua evolução, uma das chamadas gigantes vermelhas? A juntar a estas propriedades estelares, precisaremos de identificar o seu eixo de rotação e de compará-lo com a orientação do plano orbital dos planetas.

Ballet estelar ou street dance?

Consideremos um conjunto de estrelas que nasceu de uma mesma nuvem de gás e poeira original. Mais tarde formam aquilo a que se dá o nome de enxame estelar aberto. Um enxame bem conhecido, cujas estrelas mais brilhantes são visíveis a olho nu, é o enxame das Plêiades, na constelação do Touro. Se os eixos de rotação das estrelas no enxame estiverem todos alinhados, o que significa que todas as estrelas teriam inclinações similares, então isso irá sugerir que as estrelas foram talvez sujeitas a uma forte interação umas com as outras quando se formaram.

O enxame de estrelas aberto NGC 3532, a 1300 anos-luz, na constelação da Quilha, no céu austral. Algumas estrelas jovens ainda brilham numa luz azulada, indicativa da elevada temperatura à superfície, mas outras, mais massivas e que evoluíram rapidamente, tornaram-se já gigantes vermelhas e brilham numa luz alaranjada. Imagem obtida com o telescópio MPG/ESO de 2,2 metros do Observatório La Silla, do ESO, no Chile.

Fotografia de ESO/G. Beccari

Tais interações poderão ter sido causadas por um campo magnético na nuvem original. Este campo magnético é produzido na nuvem pelo movimento de matéria carregada eletricamente. Um tal campo magnético poderia interagir com a matéria carregada que estava em rotação em torno das estrelas durante o seu processo de formação e forçar os eixos de rotação destas estrelas a alinharem-se numa única direção.

Imagine agora, pelo contrário, que os eixos de rotação das estrelas estão orientados em direções aleatórias, ou seja, que as inclinações das estrelas adquiriram quaisquer espécies de valores. Isto contar-nos-ia uma história muito diferente sobre as condições físicas que predominavam na época em que as estrelas se formaram. Por exemplo, uma vez que os eixos de rotação das estrelas permaneceram livres para se orientarem de qualquer forma, é muito provável que não tenha havido uma interação forte com um campo magnético primordial. É por isso que a medição da inclinação de uma estrela, ou de um grupo de estrelas, é fundamental para conhecer o ambiente em que elas tomaram forma e lançaram a sua primeira luz.

Dissemos acima também que a inclinação do eixo de rotação de uma estrela nos ajuda a dizer algo sobre a potencial existência de vida nos planetas que orbitam essa estrela. De facto, este valor ajuda-nos a averiguar se o planeta é rochoso ou gasoso, e sabemos que a vida tem maior probabilidade de se desenvolver num planeta rochoso do que num gasoso.

Mas, para saber se um planeta é rochoso ou gasoso, temos de saber a sua densidade. Obtemos a densidade se medirmos tanto o tamanho do planeta (o seu raio), como a sua massa. Conseguimos saber o tamanho medindo a quantidade de luz da estrela que o planeta tapa quando ele passa diante dela (os astrónomos dizem “transita a estrela”, ou “trânsito do planeta”).

A massa, contudo, não é tão simples de obter. Conseguimos apenas deduzir um valor mínimo para a massa do planeta ao medir a velocidade com que a estrela anfitriã se afasta e se aproxima de nós em resposta à pequeníssima atração gravitacional do planeta. O seu movimento real no espaço pode ser mais amplo, e portanto, o verdadeiro valor da massa – e a densidade do planeta – é calculado apenas conhecendo a inclinação do eixo de rotação da estrela em relação à nossa linha de visão.

Planetas malcomportados

Os astrofísicos pensam que os planetas se formam no seio de um disco de gás e poeira em rotação em torno de uma estrela jovem no seu centro. Deveríamos portanto esperar que os planetas em translação em torno das estrelas estariam a orbitar num plano perpendicular ao eixo de rotação da estrela. É esse o caso no Sistema Solar. Os oito planetas que orbitam o Sol fazem-no mais ou menos no mesmo plano, chamado de plano da eclíptica, e este plano imaginário intersecta o Sol mais ou menos ao longo do seu equador.

Contudo, várias observações de planetas detetados a orbitar outras estrelas na nossa vizinhança galáctica apresentaram-nos alguns com ângulos de translação inesperados. Como é possível ter um plano orbital tão “desalinhado” da rotação da estrela-mãe? Em verdade, verifica-se que o plano orbital de um planeta pode ser bastante inclinado quando comparado com o plano equatorial da estrela. Isto pode ocorrer como resultado de interações gravitacionais com a própria estrela, e também com outros planetas, durante a evolução do planeta, desviando-o do seu trajeto original.

Conceção artística de um planeta a orbitar segundo um plano que está desalinhado em relação à sua estrela-mãe. O planeta segue o plano orbital representado a branco, que está muito inclinado em relação ao eixo de rotação da estrela, na vertical.

Fotografia de ESO/L. Calçada

A existência de planetas desalinhados realça o facto de alguns mecanismos físicos que perturbam as suas órbitas, como grandes aproximações, ou mesmo colisões com outros corpos maiores, podem entrar em jogo durante a sua evolução. Em tais casos, os astrofísicos precisam de saber a inclinação da estrela-mãe para determinar o grau de desalinhamento da órbita do planeta.

No entanto, deparamo-nos com um grande desafio quando estudamos as estrelas. Em verdade, a maioria das estrelas são apenas pontos de luz, mesmo quando vistas através dos maiores telescópios. Na ausência de uma esfera para a qual olhar, como podem os astrofísicos dizer se, do nosso ponto de vista na Terra, estamos a ver uma estrela de lado, ou um dos seus polos, ou de qualquer outro ângulo intermédio?

Pulsações estelares

Por sorte, temos à mão uma ferramenta muito poderosa para saber o que se passa dentro das estrelas. De certa forma está relacionada com fenómenos que também acontecem aqui na própria Terra. Terramotos, erupções vulcânicas e deslizamentos de terra causam ondas sísmicas, que propagam energia dentro do nosso planeta. O modo como as ondas sísmicas se propagam depende da densidade, estrutura e materiais que atravessam a várias profundidades. O estudo destas ondas permite aos geofísicos sondar as camadas interiores da Terra, um campo científico designado por sismologia.

As ondas sísmicas também se propagam dentro das estrelas. Devido aos movimentos internos da matéria aquecida, as estrelas estão sempre a oscilar, e de um modo muito mais intenso do que a Terra. Ondas sísmicas propagam-se dentro delas em todas as direções, e são até refletidas nas camadas mais exteriores para regressarem ao interior, alcançando novamente a superfície nalgum outro lado da estrela. Estas ondas trazem ao de cima vestígios das camadas internas que interferiram na sua propagação. Assim, à semelhança dos geofísicos, os astrofísicos usam dados sísmicos para aprenderem sobre o âmago das estrelas. Sejam bem-vindos ao campo da sismologia estelar, ou asterossismologia.

Apesar de o seu objeto de estudo estar totalmente fora de alcance físico, os astrofísicos são capazes de detetar vibrações estelares na luz das estrelas. As flutuações de luz nas estrelas permitem-lhes não apenas revelar a sua estrutura interna, mas até conhecer a sua massa e tamanho.

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Conceção artística da ressonância de ondas acústicas no interior de uma estrela semelhante ao Sol. Vermelho e azul representam deslocações em direções opostas.

Fotografia de ESO

Mais importante para o nosso assunto agora, a asterossismologia permite aos investigadores medir o ângulo de inclinação entre a Terra e o eixo de rotação das estrelas. De facto, a rotação de uma estrela afeta o modo como as suas ondas internas se propagam. Também provoca oscilações adicionais, que não seriam encontradas numa hipotética estrela que não rodasse. Portanto, a intensidade do sinal de certas frequências, características dessas diferentes oscilações, ou seja, a nossa sensibilidade a certas pulsações que somos capazes de medir na luz da estrela, depende do ângulo segundo o qual estamos a olhar para a estrela a partir do nosso ponto de vista na Terra.

Por exemplo, se virmos uma estrela segundo o seu equador, não iremos ver as oscilações que se propagam ao longo do seu eixo de rotação. Estas oscilações alteram o brilho da estrela numa direção que poderíamos apenas ver se tivéssemos o polo da estrela orientado para a nossa direção de visão. Podemos dizer que cada lado que a estrela nos apresenta toca uma diferente “música” de luz, e com isso os astrofísicos conseguem deduzir qual é o ângulo de inclinação da estrela em relação a nós.

Desde os anos 2000 que a asterossismologia tem sido revolucionada pelas observações feitas a partir do espaço. Os telescópios no espaço evitam as perturbações causadas pela atmosfera da Terra na luz que recebemos das estrelas, e também fornecem observações contínuas ao longo de vários anos, em vez da interrupção diurna a que estão sujeitos os telescópios baseados no solo. Instrumentos revolucionários a bordo das missões espaciais CoRoT, do Centre National d’Études Spatiales (CNES), em França, e da Agência Espacial Europeia (ESA), e Kepler, da NASA, permitiram aos cientistas obter observações muito detalhadas das oscilações na luz de milhares de estrelas.

De pulsações a rotações

Num estudo recente, liderado por mim como parte do meu recente trabalho no Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, os ângulos de inclinação entre a Terra e os eixos de rotação de cerca de 1200 estrelas observadas com o telescópio espacial Kepler foram medidos pela primeira vez de forma automática recorrendo à asterossismologia.

Parte do nosso sucesso veio da nossa opção por analisar estrelas que são brilhantes e exibem oscilações de grande amplitude, de modo que estas são mais fáceis de detetar na sua luz quando comparadas com estrelas distantes semelhantes ao Sol. Aquelas estrelas, que designamos por estrelas gigantes vermelhas, estão numa fase adiantada das suas vidas e oferecem-nos informações sobre o que será o futuro do nosso Sol. Devido às suas propriedades, elas são alvos ideais para a asterossismologia.

Ainda assim, não podemos descansar já. Eu e a minha equipa realçámos neste estudo que alguns ângulos de inclinação são mais fáceis de medir do que outros, e que alguns valores não podem sequer ser medidos. A medição de inclinações parece estar condicionada, especialmente para valores baixos e valores altos. O ângulo de inclinação de uma estrela pode tomar valores entre 0º, para uma estrela que nos mostra um dos seus polos, e 90º, para uma estrela vista de lado, com o seu equador na nossa linha de visão. Mas reparámos que as inclinações menores do que 10º e aquelas acima de 85º não podem ser medidas diretamente.

Conceção artística de vários sistemas estelares constituídos por uma estrela e planetas em órbita. O eixo de rotação destas estrelas é perpendicular ao plano orbital dos seus planetas, e é mais ou menos inclinado em relação ao ponto de vista da Terra.
(Os vários sistemas estão representados em conjunto apenas para ilustração. Os sistemas planetários, na realidade, estão muito mais afastados.)

Fotografia de ESA - C. Carreau

Assim acontece porque, em ambos os casos, não acedemos a importante informação, já que temos fora da nossa vista uma parte da estrela – o equador, ou um dos polos – cujas oscilações de brilho nos permitiriam aumentar a precisão e a exatidão das nossas medidas. O que isto significa é que a medição do valor exato do ângulo de inclinação é muito difícil quando a estrela é vista quase diretamente sobre um dos seus polos, ou quase perfeitamente de lado. Há ainda a acrescentar que, tal como afirmado num estudo anterior, as medições de inclinações inferiores a cerca de 20º e as superiores a cerca de 80º não são confiáveis.

Estas limitações têm importantes consequências. Estrelas que têm uma inclinação superior a 80º, ou seja, vistas quase de lado, parecem ter um valor menor, enquanto que estrelas com uma inclinação inferior a 20º parecem ter um valor maior. Por outras palavras, inclinações baixas são seriamente sobrestimadas, e inclinações altas são subestimadas. Este condicionalismo sobre a determinação da orientação espacial do eixo de rotação das estrelas tem um grande impacto, em particular, como dissemos no início deste artigo, na interpretação que os investigadores podem retirar sobre as condições nas quais as estrelas se formaram e sobre a evolução dos seus planetas.

Porém, cada medida é acompanhada por uma incerteza no seu valor. Nós estimámos as incertezas de cada medida em toda a nossa amostra de estrelas, e usámos depois essas incertezas para representar o modo como as inclinações das estrelas na amostra estão distribuídas através de todo o intervalo de ângulos entre 0º e 90º. O nosso trabalho aponta para uma forma como o condicionamento das observações que existe para valores baixos e altos pode ser corrigido e, a partir daí, como inferir os ângulos de inclinação exatos para uma certa amostra de estrelas.

Este estudo abre grandes perspetivas com a missão espacial da NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Este satélite foi lançado em 2018 e irá observar pelo menos 600 enxames de estrelas abertos durante os próximos anos, recolhendo dados de oscilações da luz nas suas estrelas individuais. Este número excede em muito os apenas quatro exames abertos que foram observados com a missão espacial Kepler. As câmaras a bordo do TESS deverão portanto permitir aos astrofísicos revelar as antigas condições físicas sob as quais as estrelas se formaram para, em princípio, centenas de enxames abertos, constituídos não apenas por estrelas jovens, mas também por estrelas evoluídas, as gigantes vermelhas.

Visão artística da futura missão espacial PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO), da Agência Espacial Europeia (ESA). O satélite irá orbitar a Terra e os seus muitos telescópios irão rastrear o Universo por pelo menos quatro anos, para revelar os segredos dentro das estrelas e procurar novos mundos.

Fotografia de ESA/ATG medialab (PLATO), ESO/L. Calçada (fundo)

Uma outra missão espacial, da ESA, a PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO), na qual o IA está ativamente envolvido, tem lançamento previsto para 2026 e está a ser desenhada para investigar a atividade sísmica de 170 000 estrelas. Estas serão sobretudo estrelas como o Sol, em volta das quais esperamos detetar alguns exoplanetas semelhantes à Terra e, portanto, potencialmente acolhendo formas de vida. Será crucial medir a inclinação destas estrelas para reconstituir a história dos exoplanetas que as orbitam. O futuro da asterossismologia apresenta-se assim brilhante, e promete novos resultados excecionais, que trarão fortes incrementos ao que já sabemos sobre a formação e evolução das estrelas e dos exoplanetas à sua volta.
 

Charlotte Gehan é astrofísica no Instituto Max Planck para a Investigação do Sistema Solar, em Göttingen, na Alemanha, e é também colaboradora do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA), em Portugal. É especialista em física estelar e utiliza asterossismologia para estudar a estrutura interna de estrelas evoluídas, como as gigantes vermelhas.

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