Telescópio Espacial James Webb revela pista decisiva sobre a formação de exoplanetas gigantes

Telescópio Espacial James Webb acaba de fornecer a pista química mais robusta já observada sobre a origem de planetas gigantes fora do Sistema Solar. Dados colhidos pelo observatório orbital permitiram a um grupo internacional, liderado pela Universidade da Califórnia em San Diego, detectar enxofre na atmosfera de corpos com até dez vezes a massa de Júpiter que orbitam a estrela HR 8799, a 133 anos-luz de distância.

Telescópio Espacial James Webb e o enigma dos mundos colossais

Desde que o sistema HR 8799 foi fotografado pela primeira vez, em 2008, seus quatro planetas supermassivos se tornaram um quebra-cabeça para a comunidade astronômica. Com órbitas que variam de 15 a 70 vezes a distância média entre a Terra e o Sol, esses corpos desafiaram modelos clássicos de formação. O lançamento do Telescópio Espacial James Webb (JWST) em 2021 alterou drasticamente o cenário investigativo graças à sua capacidade de coletar luz infravermelha com sensibilidade e resolução incomparáveis. Pela primeira vez, moléculas raras puderam ser isoladas em ambientes tão tênues que chegam a ser dez mil vezes menos brilhantes do que a estrela hospedeira.

No estudo recém-publicado na revista Nature Astronomy, a equipe aplicou espectroscopia de alta resolução ao sistema, conseguindo separar o fraco espectro planetário do brilho dominante da estrela central. O resultado foi a assinatura inequívoca de moléculas contendo enxofre, elemento considerado marcador sólido de processos de formação baseados em acreção de núcleo.

Como a detecção de enxofre aponta para a acreção de núcleo

Elementos voláteis, como água e monóxido de carbono, já haviam sido observados em HR 8799 por telescópios terrestres e pelo Hubble. Contudo, sua ubiquidade em múltiplos cenários impedia qualquer conclusão definitiva sobre a origem dos planetas. O passo adiante veio quando o Telescópio Espacial James Webb voltou sua sensibilidade para elementos refratários, que só existem em fase sólida no disco protoplanetário.

No ambiente primordial de um sistema planetário, o enxofre se condensa em grãos de pó antes de migrar para as camadas gasosas. A presença dele na atmosfera de um exoplaneta indica que um núcleo sólido – formado por colisão e fusão de partículas ricas nesse elemento – cresceu até atingir massa suficiente para atrair vultosos envelopes de hidrogênio e hélio. Esse processo, chamado acreção de núcleo, é o mesmo que se acredita ter operado em Júpiter e Saturno há 4,5 bilhões de anos.

No caso de HR 8799 c, planeta mais bem estudado da série, a concentração de enxofre observada combina com simulações que preveem um núcleo rochoso-gelado formado a grande distância da estrela. A conclusão revoga hipóteses anteriores que favoreciam a instabilidade gravitacional – cenário no qual um fragmento do disco gasoso entraria em colapso quase instantâneo, gerando um objeto gigante sem estágio sólido prévio.

Core accretion versus instabilidade gravitacional: debate reavaliado pelo Telescópio Espacial James Webb

A astronomia moderna sustentava dois paradigmas para explicar a existência de planetas gigantes: a core accretion (acréstion de núcleo) e a instabilidade gravitacional. O primeiro é um mecanismo gradual, no qual um embrião sólido de algumas massas terrestres atrai gás do disco protoplanetário; o segundo descreve o colapso rápido de uma porção densa do próprio gás, originando um objeto comparável a uma anã-marrom.

Antes da chegada do Telescópio Espacial James Webb, as dimensões dos planetas de HR 8799 pareciam incompatíveis com o lento acúmulo de material sólido, principalmente porque o disco circum-estelar se dissipa em poucos milhões de anos. Contudo, a nova detecção de sinais de enxofre e o enriquecimento de carbono e oxigênio nas atmosferas sugerem que os núcleos sólidos puderam se formar eficientemente mesmo a dezenas de unidades astronômicas da estrela.

Jean-Baptiste Ruffio, especialista em técnicas de imagem direta na UC San Diego, desenvolveu algoritmos específicos para remover o brilho estelar residual e isolar o espectro planetário. Já Jerry Xuan, da UCLA, refinou modelos atmosféricos até então incapazes de representar corretamente gases contendo enxofre em temperaturas de centenas de kelvin. Os dois conjuntos de avanços – instrumental e teórico – convergiram para demonstrar que a acreção de núcleo é viável mesmo em regimes extremos de massa e distância orbital.

HR 8799: laboratório natural a 133 anos-luz

HR 8799 localiza-se na constelação de Pégaso e tem cerca de 1,5 vez a massa do Sol. Com idade estimada em 30 milhões de anos, o sistema oferece condições ideais para investigação direta: planetas jovens ainda irradiam calor remanescente da formação, tornando-os mais luminosos em infravermelho. O conjunto de quatro gigantes gasosos – designados b, c, d e e – possui massas entre cinco e dez vezes a de Júpiter e descreve órbitas amplas, o que facilita a separação angular pelo JWST.

O planeta HR 8799 c, foco principal desta campanha, localiza-se a aproximadamente 40 unidades astronômicas da estrela. Modelagens apontam que ele é mais rico em elementos pesados que o próprio astro, indício adicional de um processo de empilhamento de sólidos antes da captura de gás. Os três planetas internos exibem assinaturas espectrais semelhantes, sugerindo um histórico de formação compartilhado.

Tecnologias, métodos e desafios superados pelo Telescópio Espacial James Webb

Para chegar ao sinal molecular de enxofre, os pesquisadores recorreram ao instrumento NIRSpec do Telescópio Espacial James Webb, que oferece dispersão de luz em múltiplos níveis de resolução. Foram necessárias observações prolongadas, porque os planetas são até 10 000 vezes menos intensos que HR 8799. Técnicas conhecidas como subtração de ponto de referência e análise de componentes principais foram implementadas para minimizar ruído instrumental e contaminação estelar.

A equipe também precisou expandir catálogos de linhas espectrais, já que compostos como sulfeto de hidrogênio não estavam mapeados em detalhe suficiente para as temperaturas investigadas. Ao ajustar sucessivamente a química nos modelos, tornou-se possível não apenas confirmar o enxofre, mas também identificar variações nas proporções de carbono, oxigênio e metais pesados em cada planeta.

Esses avanços lançam novo olhar sobre o limite que separa planetas e anãs-marrons. Se HR 8799 c, com dez massas jovianas, teve origem planetária, seria plausível estender o mesmo raciocínio para objetos ainda maiores? A disponibilidade de ferramentas como o JWST deverá fornecer estatísticas em sistemas semelhantes, ajudando a traçar a fronteira entre colapso direto e crescimento a partir de núcleos sólidos.

Implicações para a formação planetária além de HR 8799

A confirmação de que corpos superjovianos podem nascer por acreção de núcleo amplia a aplicabilidade de modelos usados para explicar Júpiter e Saturno. Tais resultados implicam que discos protoplanetários conseguem conservar grãos de gelo e rocha a grandes distâncias por tempo suficiente para formar embriões maciços. Além disso, reforçam a conexão entre composição atmosférica e história de formação, transformando a espectroscopia em ferramenta diagnóstica para sistemas distantes.

O Telescópio Espacial James Webb já tem observações futuras agendadas para HR 8799 e para outros sistemas jovens, como Beta Pictoris e PDS 70. Essas campanhas buscarão moléculas adicionais que possam revelar variações regionais na metalicidade do disco original. A expectativa é que, ao acumular amostras suficientes, os astrônomos consigam definir qual é a massa máxima que um planeta pode alcançar mantendo a mesma assinatura química de um objeto formado por acreção de núcleo.

A próxima janela de coleta de dados do JWST para HR 8799 ocorrerá durante a segunda metade do ciclo de observação atual, quando os instrumentos MIRI e NIRCam deverão complementar as medições de enxofre com detecções de amônia e fosfina nos quatro planetas.