Quantos Planetas Encontraremos em Estrelas Anãs Brancas?

Título: On the detectability of transiting planets orbiting white dwarfs using LSST

Autores: Jorge Cortes e David M. Kipping

Instituição do primeiro autor: Universidade de Columbia, Nova iorque, EUA

Status: Submetido à MNRAS, acesso aberto

Estrelas anãs brancas têm planetas? A resposta curta é, sim! Mas eles são difíceis de serem observados pelos tradicionais métodos de detecção de exoplanetas, no entanto, na próxima década isso pode mudar graças a um projeto inovador chamado Large Synoptic Survey Telescope, ou LSST. O artigo de hoje usa simulações para estimar quantos exoplanetas o LSST irá detectar ao redor de estrelas anãs brancas.

Anãs Brancas com Exoplanetas

Anãs brancas são estrelas mortas. Quando uma estrela se aproxima do final de sua vida, ela se transforma em uma gigante vermelha. Em alguns casos, isso levará a uma explosão de supernova – mas 95% de todas as estrelas nunca atingirão as condições necessárias para uma supernova. Em vez disso, uma vez que essas estrelas tenham queimado todo o seu combustível, elas vão esfriando lentamente perdendo as camadas externas da sua atmosfera. No final, o que resta é uma anã branca: uma bola quente e densa de combustível estelar gasto (na maioria dos casos, uma mistura de carbono e oxigênio). Essas estrelas são aproximadamente do tamanho da Terra, mas têm uma massa média de 60% da massa do sol.

Então, uma anã branca pode ter seus próprios planetas? Pode-se esperar que isso seja impossível. É tentador pensar que, quando uma estrela evolui para a fase de gigante vermelha, qualquer planeta próximo dela seja engolido durante o seu processo de expansão ou que as órbitas planetárias se tornem instáveis ​​à medida que a estrela perca massa. Apesar disso, há evidências de que um número significativo de anãs brancas possui pequenos objetos semelhantes a planetas em sua órbita. Cerca de um terço das anãs brancas mostram traços de elementos pesados em sua atmosfera, que acreditamos que deve ter aparecido recentemente em suas superfícies. Algumas também são cercadas por discos de poeira, possivelmente originados por planetas que passaram muito perto da anã branca e se desintegraram. Em particular, em uma anã branca (WD1145+017) detectamos pedaços de rocha passando entre nós e ela (nossa linha de visada), que se acredita serem fragmentos de um exoplaneta que se desintegrou recentemente. (A Figura 1 é uma impressão de um artista inspirada por algumas dessas detecções.) No entanto, nunca detectamos um exoplaneta inteiro, que não esteja em processo de fragmentação.

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Figure 1. Impressão artística de uma anã branca com um planeta em órbita. Crédito: NASA, ESA e Z. Levy (STScI)

Como comentamos, os métodos tradicionais de busca de exoplanetas não funcionam muito bem com anãs brancas, em particular o método de trânsito. É sabido que milhares de exoplanetas foram encontrados orbitando estrelas de outras classes, no entanto, apenas uma anã branca mostra sinais de trânsitos que pode ser de um exoplaneta, o WD1145+017. Esta dificuldade surge porque as anãs brancas são pequenas – cerca de um centésimo do diâmetro do Sol. Quanto menor a estrela, menor a probabilidade de um trânsito acontecer e, portanto, pode haver milhares de anãs brancas com planetas invisíveis para que pudéssemos detectar com os telescopios atuais.

Como um Novo Telescópio Pode Mudar as Coisas

Tudo isso pode mudar com um novo projeto, o Large Synoptic Survey Telescope. O LSST é um telescópio que está sendo construído no Chile, e que deve começar a operar no início dos anos 2020. Ele mapeará o céu visível a cada poucos dias e encontrará milhares de vezes o número de estrelas que qualquer outro projeto comparável tenha encontrado. Espera-se que cerca de 10 milhões de anãs brancas sejam estudadas.

O artigo de hoje investiga quantos trânsitos de anãs brancas podemos esperar que o LSST observe. Especificamente, a pergunta que eles fazem é: para um dado conjunto de propriedades (tamanho e brilho da anã branca, tamanho do planeta e período orbital), qual a probabilidade de o planeta ser encontrado pelo LSST? Eles dividem essa questão em duas partes. Em primeiro lugar, qual a probabilidade de o planeta transitar a anã branca e, em segundo lugar, se existir, qual é a probabilidade de o LSST detectá-lo?

Os autores começam com a segunda parte da questão. Para responder, eles executam 3,5 milhões de simulações do que o LSST observaria para diferentes combinações de parâmetros de estrelas anãs brancas e planetas. Em cada caso, eles calculam se o trânsito seria claro o suficiente para ser detectável e contariam a fração do número total onde iríamos vê-lo. Um exemplo do tipo de trânsitos que eles estão considerando é mostrado na Figura 2.

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Figura 2. Gráficos simulados da luminosidade de uma estrela anã branca medida em função do tempo (como seria visto pelo LSST) para um conjunto de parâmetros de anã branca e planeta. Cada linha corresponde a um filtro diferente (um diferente comprimento de onda observado), com a linha inferior incluindo observações em todas as faixas de cores. Painéis à esquerda mostram dados ao longo de todo o período de observação de 10 anos do LSST. Os painéis à direita mostram todos os pontos de dados que estão próximos de um trânsito.  Figura 2 no artigo.

Em seguida, eles analisaram a primeira parte da questão: para um determinado conjunto de parâmetros de anã branca e planeta, qual a probabilidade de um trânsito acontecer? Essa é uma pergunta muito mais fácil de responder, pois se trata de uma questão simples de geometria: quão grande é a anã branca, quão grande é o planeta e a que distância elas estão? Uma vez calculada a probabilidade de um trânsito, os autores combinaram isso com a probabilidade de que o trânsito seja detectado para produzir uma probabilidade geral de que o sistema tenha um trânsito detectável. Eles fizeram isso para cada conjunto de parâmetros de anã branca e estrela, como mostrado na Figura 3.

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Figura 3. Detectabilidade de um planeta em torno de uma anã branca em função do raio planetário e do período orbital. Cores mais escuras correspondem a planetas com maiores probabilidades de serem detectados. Planetas geralmente maiores e com períodos orbitais mais curtos são mais fáceis de detectar. As regiões brancas à esquerda são regiões do espaço de parâmetros onde os planetas seriam desintegrados pela gravidade da anã branca. Os símbolos da esquerda mostram os raios de Júpiter, Saturno, Netuno, Terra, Lua, Plutão e Ceres. Figura 3 no artigo de hoje.

 

Os resultados encontrados são que a maioria dos planetas não serão detectados. O que não é surpreendente, eles são mesmo muito difíceis de serem observados. Cerca de quatro em cada mil planetas do tamanho da Terra são detectáveis, e se torna muito mais difícil se os planetas forem menores. No entanto, o grande número de alvos LSST vem para o resgate aqui. O LSST observará 10 milhões de anãs brancas. Com base nas evidências de que falamos acima, como as anãs brancas com elementos rochosos em sua atmosfera, supomos que cerca de 10% dessas anãs brancas hospedem planetas. A partir do artigo de hoje, esperamos detectar alguns desses planetas em trânsito, e o número pode chegar a várias centenas se os planetas forem do tamanho da Terra. Dado que apenas um sistema de anã branca em trânsito é conhecido no momento, este será um grande aumento que, esperamos, nos ensinará muito sobre esses sistemas.

O LSST deve iniciar a operação em pouco mais de quatro anos, e este é apenas um exemplo da ciência revolucionária que será possível. Fique de olho para mais!


Original em inglês: How Many Planets Will We Find Around White Dwarfs? por Matthew Green.

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