Para ser considerado habitável, um planeta precisa ter água líquida. As células, a menor unidade de vida, precisam de água para desempenhar suas funções. Para que a água líquida exista, a temperatura do planeta precisa estar correta. Mas e o tamanho do planeta?
Sem massa suficiente, um planeta não terá gravidade suficiente para reter sua água. Um novo estudo tenta entender como o tamanho afeta a capacidade de um planeta reter sua água e, como resultado, sua habitabilidade.
A questão do que pode tornar um planeta habitável é um debate em andamento. Não apenas para exoplanetas, mas para algumas das luas do futuro de nosso próprio Sistema Solar. Os cientistas têm uma boa idéia de quanta energia um planeta precisa receber de sua estrela para manter a água líquida. Isso deu origem à noção popular de “ Zona de Cachinhos Dourados ” , ou zona habitável circunstancial, uma faixa de proximidade que não é nem muito próxima nem muito longe de uma estrela para que a água líquida persista em um planeta.
Com a busca por exoplanetas em zonas habitáveis aumentando, e à medida que obtemos melhores telescópios e técnicas para estudar exoplanetas com mais detalhes, os cientistas precisam de mais restrições sobre em que planetas gastar a observação de recursos. Como este artigo mostra, a massa de um planeta pode ser um filtro útil.
O novo artigo é intitulado " Evolução Atmosférica em Mundos Aquáticos de Baixa Gravidade ". Foi publicado no The Astrophysical Journal. O autor principal é Constantin W. Arnscheidt, um estudante de graduação do MIT.
Para manter a água líquida em sua superfície e em uma atmosfera, um exoplaneta ou um exomoon precisa ter massa suficiente, caso contrário, a água e a atmosfera simplesmente irão para o espaço. E tem que segurar a água por tempo suficiente para que a vida apareça. Os astrônomos usam uma estimativa de um bilhão de anos para que isso aconteça.
"Quando as pessoas pensam nas bordas interna e externa da zona habitável, elas tendem a pensar apenas espacialmente, significando o quão perto o planeta está da estrela", disse Constantin Arnscheidt, primeiro autor do artigo. “Mas, na verdade, existem muitas outras variáveis de habitabilidade, incluindo massa. Estabelecer um limite mais baixo para a habitabilidade em termos de tamanho do planeta nos dá uma restrição importante em nossa busca contínua por exoplanetas e exótons habitáveis. ”
A zona "Cachinhos Dourados" ao redor de uma estrela é onde um planeta não está nem muito quente nem muito frio para suportar água líquida. Mas novas pesquisas mostram que os planetas não devem estar apenas na faixa de proximidade correta para serem considerados habitáveis, mas devem ter massa suficiente. Ilustração de Petigura / UC Berkeley, Howard / UH-Manoa, Marcy / UC Berkeley.
O tamanho e o alcance da zona habitável dependem da estrela. Uma estrela menor e menos energética, como uma anã vermelha, cria uma zona habitável mais próxima de si do que uma estrela maior como o nosso Sol. Isto é bem entendido. Se um planeta está muito longe da estrela, a água congela. Muito perto, o efeito estufa descontrolado acontece, a água vira vapor e pode ferver para o espaço.
Mas para planetas pequenos e de menor massa, há mais coisas acontecendo. Eles podem resistir ao efeito estufa descontrolado.
À medida que um planeta de menor massa se aquece, a atmosfera se expande. Torna-se maior em relação ao tamanho do planeta que circunda. Isso tem dois efeitos: o aumento do tamanho da superfície significa que a atmosfera pode absorver mais energia do que costumava e também pode irradiar mais energia do que costumava.
O resultado geral disso, segundo os pesquisadores, é que a atmosfera expandida interrompe o efeito estufa descontrolado e eles podem manter a água líquida da superfície. Isso significa que eles podem estar mais perto de sua estrela sem perder água, expandindo a zona Cachinhos Dourados para exoplanetas menores.
Há um limite, é claro. Se um planeta de baixa massa for muito pequeno, não terá gravidade suficiente, a atmosfera será removida e a água será removida com ele, ou congelada na superfície. Isso significa que as perspectivas de vida são escuras. Os pesquisadores dizem que há um limite inferior crítico para um planeta ser habitável. Isso significa que não apenas existe uma faixa de proximidade com a estrela que determina a habitabilidade de um planeta, como também há um limite de tamanho.
Simplificando, um planeta pode ser pequeno demais para ser habitável, mesmo se estiver na zona Goldilocks.
Esta ilustração mostra o limite inferior de habitabilidade em termos de massa de um planeta. Se um objeto tiver menos de 2,7% da massa da Terra, sua atmosfera escapará antes mesmo de ter a chance de desenvolver água líquida superficial (Ilustração cortesia de Harvard SEAS).
Esse tamanho crítico, de acordo com Arnscheidt e os outros autores do estudo, é de 2,7% da massa da Terra. Eles dizem que é menor do que isso, e o planeta simplesmente não será capaz de manter sua atmosfera e água por tempo suficiente para que a vida apareça. Para o contexto, a Lua é 1,2% da massa da Terra e Mercúrio é 5,53%.
Os pesquisadores usam planetas do tipo cometa como exemplo. Os cometas têm muita água, que é sublimada quando se aproxima do Sol. Mas eles não têm a massa necessária para reter esse vapor e nunca podem formar uma atmosfera. A água é perdida no espaço. Portanto, um planeta pequeno demais, mesmo que tivesse muita água, nunca se apegaria a ele.
A ilustração de um exoplaneta de um artista e sua lua orbitando uma estrela anã vermelha. Pela NASA / Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics / D. Aguilar - http://www.nasa.gov/sites/default/files/reddwarfplanet_cfa_full_1.jpg, domínio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31666101
Os pesquisadores usaram modelos para estimar a zona habitável do planeta de baixa massa em torno de dois tipos diferentes de estrelas: uma estrela do tipo M ou anã vermelha e uma estrela do tipo G como o nosso Sol.
Eles também podem ter resolvido outra questão antiga de habitabilidade em nosso próprio Sistema Solar. As luas de Júpiter, Ganimedes , Calisto e Europa, têm água em abundância, presa sob camadas de gelo. Os astrônomos se perguntaram se seriam habitáveis quando o Sol irradia mais energia em algum momento de seu futuro estelar. Mas, de acordo com o trabalho dos autores, eles não têm massa para se agarrar à água, mesmo que tenham se aquecido o suficiente. Ganímedes chega perto, com 2,5% de massa terrestre, mas é pequeno o suficiente para parecer "cometa" e perder toda a água para o espaço.
"Os mundos aquáticos de baixa massa são uma possibilidade fascinante na busca pela vida, e este artigo mostra quão diferente seu comportamento provavelmente será comparado ao dos planetas semelhantes à Terra", disse Robin Wordsworth, professor associado de ciência e engenharia ambiental na SEAS e autor sênior do estudo. "Quando as observações para essa classe de objetos se tornarem possíveis, será empolgante tentar testar essas previsões diretamente".
Acontece que não só a Terra está à distância certa do Sol para ser habitável, como também nosso planeta está na faixa de massa certa. Crédito: NASA Goddard Space Flight Center
Os pesquisadores fizeram algumas suposições necessárias em seu trabalho. Eles assumiram que a atmosfera de seus mundos de baixa massa era vapor de água puro. Eles também assumiram que a água era fixada em 40% da massa do planeta. Eles também ignoraram alguns outros fatores, como ciclagem de CO2, cobertura de nuvens e química dos oceanos. Existem simplesmente muitas variáveis para modelar nesta etapa de seu trabalho.
Os autores também abordam a idéia de exomoons habitáveis em vez de exoplanetas. É concebível que, em outros sistemas solares, seja mais provável que as luas sejam habitáveis que os planetas. Nesse caso, outros fatores entram em jogo, como forças de maré. Isso pode ser especialmente verdade em torno de estrelas do tipo M , ou anãs vermelhas. Isso ocorre porque a zona habitável circunstancial em torno dessas estrelas de baixa energia já está muito mais próxima da estrela do que em torno de uma estrela do tipo G como o nosso Sol. As forças gravitacionais combinadas do exomoon, seu planeta e a estrela podem eliminar completamente a habitabilidade.
Eles também reconhecem parte da ampla variedade de outros fatores que influenciam a habitabilidade. Por exemplo, embora luas como Ganímedes sejam pequenas demais para serem habitáveis em seu modelo, elas podem muito bem ter vida em seus oceanos subterrâneos, onde a água é impedida de escapar por uma espessa camada de gelo.
Há muito mais trabalho a ser feito em relação à determinação da habitabilidade. Como os autores dizem em seu artigo, "Trabalhos futuros podem considerar modelos mais complicados de escape hidrodinâmico". Há mais variedade e complexidade nos exoplanetas do que sabemos agora, mas este estudo começa a abordar alguns deles.
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