Título: Friends not Foes: Strong Correlation between Inner Super-Earths and Outer Gas Giants
Autores: .M. Bryan and E. Lee
Instituição do primeiro autor: University of Toronto e McGill University (Canadá)
Status: submetido ao ApJL [acesso aberto no arXiv]
Astrônomos já encontraram muitos sistemas exoplanetários com planetas pequenos orbitando próximo de sua estrela (como super-Terras e sub-Netunos) e também encontraram muitos sistemas com gigantes gasosos distantes como Júpiter. No entanto, não está claro com que frequência esses dois tipos de planetas ocorrem no mesmo sistema planetário. Um sistema com um planeta pequeno e próximo da estrela e um planeta gigante e distante da estrela seria parecido com o nosso próprio Sistema Solar, que apresenta vários planetas rochosos e pequenos próximo da estrela (chamados planetas interiores), e planetas gigantes gasosos mais longe (planetas exteriores). Alguns sistemas exoplanetários desse tipo já foram encontrados, e quando astrônomos encontram uma certa quantidade de qualquer tipo de objeto ou fenômeno, o próximo passo natural é calcular uma taxa de ocorrência.
O artigo de hoje estuda a taxa de ocorrência de planetas pequenos e grandes no mesmo sistema exoplanetário. Taxas de ocorrência são estimativas da frequência com que se espera que um determinado evento seja observado. Na ciência de exoplanetas, isto representa a frequência com que um determinado tipo de planeta será encontrado se estrelas forem analisadas aleatoriamente em busca de planetas. Em particular, o artigo de hoje procura resolver um debate. No passado, diferentes equipes mediram a taxa de ocorrência de sistemas com um planeta gigante gasoso distante quando o sistema tem também um planeta pequeno interior. Chamamos isso de taxa de ocorrência condicional, porque queremos saber com que frequência o planeta Tipo A será encontrado em um dado sistema se já sabemos (ou seja, “dada a condição”) que o planeta Tipo B ocorre neste sistema. Três estudos anteriores encontraram uma correlação positiva entre a ocorrência condicional desses tipos de sistemas, ou seja, se você encontrar um planeta pequeno interior, é mais provável que encontre um gigante distante do que se olhasse aleatoriamente para um sistema sem um planeta pequeno interno. No entanto, outro estudo não encontrou nenhuma correlação. Nenhum estudo encontrou uma anticorrelação, que indicaria que se você encontrar um pequeno planeta interno, é menos provável que você encontre também um gigante gasoso distante do que se observar uma estrela aleatória sem nenhum pequeno planeta interno. Recentemente, descobriu-se que esse único estudo divergente na verdade encontra uma correlação positiva se a metalicidade das estrelas hospedeiras for levada em conta. A metalicidade é uma medida de quanta massa da estrela é composta por elementos mais pesados que o hidrogênio e o hélio. Uma maior metalicidade significa que uma porcentagem maior da estrela é composta de elementos pesados, que são todos chamados de “metais” em astronomia (para desconforto dos químicos).
O artigo de hoje leva adiante a descoberta de que a metalicidade da estrela hospedeira é uma métrica importante para calcular de maneira apropriada a taxa de ocorrência condicional de planetas pequenos próximos e planetas gigantes gasosos distantes. Os autores compilaram dados de todas as estrelas que possuem um número suficiente de medidas de velocidade radial disponíveis publicamente e pelo menos um planeta pequeno próximo da estrela confirmado. Velocidade radial é o movimento de um objeto ao longo da linha de visada; neste caso, especificamente causado pela interação gravitacional entre a estrela e o(s) planeta(s). Os autores também excluíram deliberadamente quaisquer estrelas hospedeiras que fossem anãs do tipo M (o tipo menor e mais frio de estrela), já que outros estudos indicam que as anãs M quase não têm gigantes gasosos distantes. A amostra final ficou em 184 sistemas, dos quais 30 têm um planeta gigante gasoso distante conhecido. Contudo, não é tão simples como dizer 30/184 = 16% para a ocorrência condicional. Os autores devem levar em consideração se os dados de velocidade radial são suficientes para detectar planetas gigantes distantes. Isso implica caracterizar se os dados são precisos e obtidos com suficiente frequência para encontrar um certo tipo de planeta. Por exemplo, a amostragem pode ter sido insuficiente para detectar planetas com períodos longos, que exigiriam um monitoramento por um tempo comparável ao período. Para quantificar a sensitividade dos dados de cada um dos seus sistemas, os autores realizaram um teste de injeção/recuperação. Em mais detalhes, isso significa que eles simularam um planeta com um determinado conjunto de parâmetros orbitais (período, excentricidade, inclinação) e massa, calcularam a curva de velocidade radial para o planeta com a mesma frequência e precisão que os dados reais (esta parte é a injeção) e então tentaram detectar o planeta simulado nos dados simulados (recuperação). Eles fizeram isso milhares de vezes para diferentes planetas simulados e repetiram isso para cada um dos 184 conjuntos de dados. A partir desse teste, os autores puderam quantificar quantos planetas gigantes distantes cada conjunto de dados pode ter perdido e quantos não perderam. Usando esses chamados mapas de completeza, eles geraram um mapa de completeza média, mostrado na Figura 1, que foi utilizado para calcular a taxa de ocorrência condicional.
Um resultado importante é que quando os autores dividiram os 184 sistemas em duas categorias, ricos ou pobres em metais, obtiveram valores diferentes para a taxa de ocorrência condicional. Para estrelas ricas em metais (definidas no artigo como mais metálicas que o Sol), eles encontram uma ocorrência condicional de 28 +/- 5% e, para estrelas pobres em metais, encontram uma taxa de apenas 4,5 +/- 2,5%. Essa diferença é grande e estatisticamente significativa! Esse achado confirma a hipótese anterior de que a taxa de ocorrência condicional depende da metalicidade da estrela hospedeira. Contudo, para entender se existe de fato uma relação entre os planetas internos e externos, também é preciso comparar a taxa de ocorrência condicional com a taxa geral de ocorrência de planetas gigantes gasosos distantes, independente de existir ou não um planeta interior. Se as taxas forem diferentes, isso nos diz que existe uma relação entre os planetas do sistema interno e externo. Isso leva a outro resultado importante: os autores encontraram taxas diferentes! Para estrelas ricas em metais, eles descobriram que, independentemente do sistema interno, planetas gigantes distantes ocorrem em 13% das estrelas e, para estrelas pobres em metais, ocorrem em 6% das estrelas. Portanto, como a ocorrência condicional é melhorada (28% vs. 13%, veja a Figura 2), isso sugere uma correlação positiva: quando existe um planeta pequeno interior, é mais provável que se encontre também um gigante gasoso distante do que quando se procura aleatoriamente apenas por gigantes gasosos distantes!
Essa correlação tem implicações importantes para a nossa compreensão de sistemas exoplanetários. Ela sugere que sistemas como o nosso Sistema Solar, com pequenos planetas interiores a planetas grandes, podem ser mais comuns do que aqueles sem planetas interiores. Este estudo também é o primeiro a utilizar um grande número de sistemas para buscar correlação com a metalicidade. Estudos anteriores usaram amostras pequenas, simplesmente porque obter dados para fazer este tipo de trabalho é difícil e demorado. Ao reunir mais sistemas e usando como base trabalhos anteriores, o artigo de hoje foi capaz de fazer uma afirmação mais rigorosa de que existe uma correlação positiva entre planetas pequenos interiores e gigantes exteriores.
Adaptado de How Common are Solar Systems Like Our Own?, escrito por Jack Lubin.
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