UMA COLISÃO GIGANTE PODE SALVAR A ATMOSFERA DE UM PLANETA

Meça os tamanhos dos pequenos exoplanetas e eles se dividem em dois grupos: um pico em cerca de 1,3 vez o raio da Terra, outro em cerca de 2,4 vezes, com uma depressão em 1,75. Acredita-se que os pequenos sejam planetas rochosos nus — as super-Terras. Os grandes, os sub-Netunos, seriam planetas rochosos ainda envoltos em sua atmosfera primordial, rica em hidrogênio. Então alguns planetas devem ter perdido muito hidrogênio. Mas quais, e como?

O suspeito de sempre

Espera-se que planetas rochosos do tamanho da Terra ou maiores sofram um ou mais impactos gigantes no fim de sua formação, alguns deles depois que o disco de gás em torno da estrela jovem já se dispersou. Uma explicação popular para os dois grupos culpa essas colisões tardias: o choque aquece o manto do planeta, a superfície escaldante faz o gás escapar, e um planeta com atmosfera se transforma numa super-Terra.

Darius Modirrousta-Galian, da Universidade Jiao Tong de Xangai, e Jun Korenaga, da Universidade Yale, argumentam que esse quadro deixa de fora metade do balanço. O estudo deles foi aceito na revista Nature Astronomy.

O outro lado do balanço

Uma colisão não apenas aquece um planeta. Ela também acrescenta massa, e toda essa massa aprofunda o poço gravitacional que retém a atmosfera. Enquanto isso, só parte da energia do impacto realmente aquece o manto:

• o núcleo metálico do impactor mergulha através do manto, cedendo pouca energia no caminho, e termina no fundo, ainda superaquecido;
• a rocha que derrete absorve energia na forma de calor latente, sem elevar a temperatura;
• o calor que chega à superfície é amortecido no alto da atmosfera. A temperatura nas camadas que controlam o escape é definida pela luz da estrela, não pelo solo quente abaixo.

Para um planeta cujo núcleo metálico corresponde a 30% de sua massa, cerca de 84% da energia do impacto vai para o manto, em linha com simulações detalhadas de colisões. O gás arrancado diretamente pelo impactor é pouco; a onda de choque remove tipicamente cerca de 10 a 20% da atmosfera. No geral, concluem os autores, a garra gravitacional do planeta cresce mais do que seu manto se aquece: depois da colisão, a atmosfera fica mais firmemente retida do que antes.

Cem milhões de planetas

Para testar isso numa população inteira, a equipe simulou 100 milhões de planetas com distribuições realistas de massas, temperaturas, núcleos metálicos e atmosferas. Em cada rodada, cada planeta tem uma chance de 52, 63 ou 74%, conforme a rodada, de sofrer um impacto gigante depois que o disco de gás desaparece — valores tirados de simulações da formação de planetas —, com um impactor de até metade da massa final. O modelo então acompanha o manto derretido enquanto ele esfria e a atmosfera enquanto ela escapa, ao longo de 5 bilhões de anos.

O resultado reproduz os dois picos observados, em cerca de 1,3 e 2,4 raios terrestres com uma depressão em 1,75, para todas as receitas de impacto testadas. Duas simulações de controle mostram por quê. Sem nenhum impacto tardio, planetas demais acabam nus. Com um impacto para cada planeta, planetas demais conservam seu hidrogênio. As colisões definem o equilíbrio ao empurrar planetas para além de um limiar de massa acima do qual o hidrogênio permanece no lugar.

Quanto maior a colisão, mais segura a atmosfera

A chance de perder toda a atmosfera diminui à medida que a massa inicial do planeta e a fração do impactor aumentam. Os autores ajustam uma curva simples para a fração do impactor com a qual apenas 1% dos planetas perde tudo: χ = 0,58 − 0,0188 (M/M⊕)^1,794, em que χ é a massa do impactor dividida pela massa final e M é a massa inicial em massas terrestres. Para um planeta que começa com 5 massas terrestres, isso corresponde a um impactor de cerca de um quarto da massa final; acima da curva, os planetas quase sempre conservam sua atmosfera primordial.

Corações mais pesados para os sub-Netunos

Se as colisões ajudam os planetas a conservar seu hidrogênio, então os sub-Netunos provavelmente cresceram por meio de mais colisões e abrigam interiores rochosos mais massivos do que as super-Terras. Os planetas já medidos apontam nessa direção: os sub-Netunos pesam mais do que cerca de 4 a 5 massas terrestres, as super-Terras menos. Os autores listam os instrumentos que podem testar a ideia — JWST, Ariel e Twinkle buscando hidrogênio nas atmosferas dos planetas maiores, PLATO e JUST pesando-os, e o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman alcançando mundos menores e mais distantes.