O que acontece com os planetas quando sua estrela morre?

Título: The post-main-sequence fate of the HR 8799 planetary system

Autores: Dimitri Veras, Sasha Hinkley

Instituição do primeiro autor: Centre for Exoplanets and Habitability & Department of Physics, University of Warwick, Reino Unido

Status: publicado no MNRAS [acesso aberto no astro-ph]

Depois de esgotar o hidrogênio em seus núcleos, estrelas com massa abaixo de cerca de 8 a 10 vezes a do Sol primeiro tornam-se gigantes vermelhas, depois ejetam suas camadas externas e tornam-se anãs brancas. Esse processo pode ser muito destrutivo para os planetas ao redor da estrela original. Eles podem, por exemplo, ser engolidos pela gigante vermelha em expansão, ou até ser ejetados do sistema.

Assinaturas de metais foram detectadas na atmosfera de muitas anãs brancas, indicando a acreção de material planetário. Essas estrelas são frequentemente chamadas de anãs brancas poluídas. Já detectamos planetas e corpos menores (como planetas anões e asteroides) ao redor de anãs brancas, então sabemos que esses objetos podem, pelo menos sob certas circunstâncias, sobreviver à fase de gigante vermelha de uma estrela. Os autores do artigo de hoje exploram como a estrela HR 8799 poderia se tornar uma dessas anãs brancas poluídas, simulando possíveis futuros para a estrela e seus planetas.

O Sistema HR 8799

HR 8799 é uma estrela do tipo A da sequência principal, com cerca de 30 milhões de anos e 1,5 vezes a massa do Sol. Ela é cercada por dois discos de detritos, um interno e outro externo, e por quatro planetas gigantes (mostrados na Figura 1) na lacuna entre esses discos. O sistema é dinamicamente muito interessante, já que os quatro planetas massivos (2-10 vezes a massa de Júpiter) estão em órbitas que são bastante distantes de sua estrela (15-70 maiores que o tamanho da órbita da Terra ao redor do Sol), mas são relativamente próximos um do outro, de uma forma que normalmente não seria estável. HR 8799 é considerada a candidata perfeita para tornar-se uma anã branca com um sistema planetário por alguns motivos:

  1. A estrela vai evoluir para uma anã branca.
  2. O sistema contém vários planetas distantes o suficiente para evitarem serem engolidos pela gigante vermelha.
  3. As órbitas dos planetas estão à beira da instabilidade.
  4. Os discos de detrito fornecem metais que podem ser espalhados dinamicamente na estrela.
fig1
Figura 1: Imagem direta do sistema planetário HR 8799, na qual o quarto planeta (e) foi descoberto com o telescópio Keck II. (Marois et al. 2010).

Astrônomos acreditam que este sistema é estabilizado por uma ressonância de movimento médio, em que os períodos orbitais dos planetas estão todos relacionados por pequenas razões inteiras. Não se sabe se os planetas permanecerão estáveis até que a estrela alcance o final de sua vida na sequência principal, mas simulações anteriores demonstraram que eles poderiam sobreviver em uma ressonância 8: 4: 2: 1 (na qual estão aproximadamente).

As simulações

Os autores deste artigo adotam esse modelo de ressonância estável no início da evolução da sequência principal da estrela como o ponto de partida para suas simulações. Eles executam 70 simulações de N-corpos diferentes para rastrear os movimentos dos objetos do sistema enquanto eles, e os perturbadores externos, exercem força gravitacional uns sobre os outros por 14 bilhões de anos. Os principais perigos para a estabilidade dinâmica são:

  • Aproximações estelares: uma estrela que passa perto do sistema pode perturbar gravitacionalmente as órbitas dos planetas.
  • Marés galácticas: planetas em órbitas muito distantes podem experimentar forças gravitacionais ligeiramente distintas ao longo de diferentes partes de sua órbita, conforme sua distância em relação a outros objetos na Via Láctea varia, perturbando o movimento do planeta.
  • Perda de massa na fase da gigante vermelha: quando a estrela central expele suas camadas externas e torna-se menos massiva, as órbitas de seus planetas migram para maiores distâncias, devido à mudança da força gravitacional.

O sistema ressonante permanece estável durante todo o tempo de vida da estrela na sequência principal em todos os modelos. No entanto, em nenhum dos cenários os quatro planetas permanecem no sistema até o final da simulação. Na maioria dos casos, dois dos planetas sobrevivem (exemplo na Figura 2) e também vemos muitos casos com apenas um sobrevivente. Em alguns casos muito raros, três planetas podem sobreviver. A maioria dos planetas perdidos é ejetada do sistema e apenas em raras ocasiões (alguns por cento) eles colidem com a estrela ou outro planeta.

fig2
Figura 2: Exemplo representativo de resultados de simulação. Esquerda: evolução do semi-eixo maior ao longo do tempo. À direita: evolução do pericentro (ponto da órbita mais próximo da estrela). Neste caso, todas as quatro órbitas começam a migrar para fora durante a fase de gigante devido à perda de massa (GB na figura, em torno de 3 Gyr), quebrando a cadeia ressonante. Muito rapidamente, no final desta fase, os planetas ‘b’ (roxo) e ‘e’ (vermelho) são ejetados, ‘c’ (azul) migra para dentro e ‘d’ (verde) migra para centenas de unidades astronômicas. Figura 3 no artigo.

A maioria desses planetas restantes acaba em órbitas excêntricas (não circulares). Os semi-eixos maiores e pericentros finais de todas as órbitas dos planetas que chegaram ao final da simulação de 14 Gyr são mostrados na Figura 3. Com esses planetas gigantes sobreviventes, qualquer resíduo remanescente dos discos provavelmente será espalhado na direção da estrela ao longo de um bilhão de anos após a estrela tornar-se uma anã branca. Portanto, pode-se esperar que HR 8799 mostre poluição por metais em sua atmosfera aproximadamente no primeiro bilhão de anos de sua fase de esfriamento como anã branca.

fig3
Figura 3: Semi-eixo maior final e pericentro para todos os planetas que sobreviveram 14 Gyr, para todas as simulações. O planeta mais massivo, d, sobrevive com mais freqüência. Figura 9 no artigo.

Em suma, a configuração inicial deste sistema à beira da instabilidade resulta em muitos tipos de perturbações com diferentes efeitos, particularmente quando se leva em conta também forças externas como aproximações estelares e marés galácticas. Os quatro planetas do sistema, os discos de detritos e a atividade dinâmica inevitável fornecem todos os ingredientes necessários para poluir uma anã branca.

O sistema planetário HR 8799 parece ser bastante único, considerando seus quatro planetas de alta massa. Outro trabalho do primeiro autor mostrou que planetas com menor massa são mais propensos a serem dilacerados e devorados por suas estrelas do que planetas como HR 8799. Esses planetas menores também demoram mais para espalhar detritos em direção à estrela, então o período de poluição das anãs brancas deve durar vários bilhões de anos. HR 8799 provavelmente vai tornar-se uma anã branca poluída por metais, como muitas estrelas de seu tipo, mas devido às altas massas de seus planetas e, portanto, às fortes interações dinâmicas, o sistema planetário resultante poderia ser relativamente incomum.


Adaptado de What happens to planets when their host star dies?, escrito por Macy Huston.

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