Pesquisadores descobriram recentemente que a maior parte da água de um planeta geralmente não está em sua superfície, mas escondida profundamente em seu interior. Isso afeta a habitabilidade potencial de mundos distantes, conforme mostrado por cálculos de modelos de cientistas da ETH Zurich e Universidade de Princeton.
- Pesquisadores usaram simulações de computador para calcular um novo modelo de distribuição de água em exoplanetas – planetas orbitando outra estrela fora do nosso sistema solar.
- Suas descobertas revelam que a maior parte da água de planetas jovens não está localizada em sua superfície, mas nas profundezas de seu interior. Além disso, o volume potencial total de água em exoplanetas foi até agora dramaticamente subestimado.
- O novo modelo é importante para entender a formação de planetas e avaliar a potencial habitabilidade de exoplanetas.
A Terra tem um núcleo de ferro cercado por um manto de rocha de silicato e água (oceanos) em sua superfície. Até hoje, a ciência usou esse modelo simples de planeta para investigar exoplanetas – planetas que orbitam outra estrela fora do nosso sistema solar. “Foi somente nos últimos anos que começamos a perceber que os planetas são mais complexos do que pensávamos”, diz Caroline Dorn, Professora de Exoplanetas na ETH Zurich.
A maioria dos exoplanetas conhecidos hoje está localizada perto de sua estrela. Isso significa que eles compreendem principalmente mundos quentes de oceanos de magma derretido que ainda não esfriaram para formar um manto sólido de rocha de silicato como a Terra. A água se dissolve muito bem nesses oceanos de magma – diferente, por exemplo, do dióxido de carbono, que rapidamente sai do gás e sobe para a atmosfera.
O núcleo de ferro está localizado abaixo do manto fundido de silicatos. Então, como a água é distribuída entre os silicatos e o ferro? É exatamente isso que Dorn investigou em colaboração com Haiyang Luo e Jie Deng da Universidade de Princeton com a ajuda de cálculos de modelos baseados em leis fundamentais da física. Os pesquisadores apresentam seus resultados no periódico Nature Astronomy.
Sopa de Magma com Água e Ferro
Para explicar os resultados, Dorn precisa entrar em alguns detalhes: “O núcleo de ferro leva tempo para se desenvolver. Uma grande parte do ferro está inicialmente contida na sopa de magma quente na forma de gotículas.” A água sequestrada nessa sopa combina-se com essas gotículas de ferro e afunda com elas até o núcleo. “As gotículas de ferro se comportam como um elevador que é transportado para baixo pela água”, explica Dorn.
Até agora, esse comportamento só era conhecido como o caso de pressões moderadas do tipo que também prevalece na Terra. Não se sabia o que acontece no caso de planetas maiores com condições internas de pressão mais altas. “Este é um dos principais resultados do nosso estudo”, diz Dorn. “Quanto maior o planeta e maior sua massa, mais a água tende a ir com as gotículas de ferro e se integrar ao núcleo. Sob certas circunstâncias, o ferro pode absorver até 70 vezes mais água do que os silicatos. No entanto, devido à enorme pressão no núcleo, a água não assume mais a forma de H2Moléculas de O, mas está presente em hidrogênio e oxigênio.
Grandes quantidades de água também estão dentro da Terra
Este estudo foi desencadeado por investigações do conteúdo de água da Terra, que produziram um resultado surpreendente quatro anos atrás: os oceanos na superfície da Terra contêm apenas uma pequena fração da água total do nosso planeta. O conteúdo de mais de 80 oceanos da Terra pode estar escondido em seu interior. Isso é mostrado por simulações que calculam como a água se comporta sob condições do tipo que prevalecia quando a Terra era jovem. Experimentos e medições sismológicas são, portanto, compatíveis.
“A maior parte da água nos exoplanetas é encontrada nas profundezas do interior e não na superfície.”
Caroline Dorn, Professora de Exoplanetas
As novas descobertas sobre a distribuição de água nos planetas têm consequências dramáticas para a interpretação de dados de observação astronômica. Usando seus telescópios no espaço e na Terra, os astrônomos podem, sob certas condições, medir o peso e o tamanho de um exoplaneta. Eles usam esses cálculos para elaborar diagramas de massa-raio que permitem tirar conclusões sobre a composição do planeta. Se, ao fazer isso – como tem sido o caso até agora – a solubilidade e a distribuição da água forem ignoradas, o volume de água pode ser dramaticamente subestimado em até dez vezes. “Os planetas são muito mais abundantes em água do que se supunha anteriormente”, diz Dorn.
Compreendendo a história da evolução
A distribuição de água também é importante se quisermos entender como os planetas se formam e se desenvolvem. A água que afundou no núcleo permanece presa lá para sempre. No entanto, a água dissolvida no oceano de magma do manto pode desgaseificar e subir à superfície durante o resfriamento do manto. “Então, se encontrarmos água na atmosfera de um planeta, provavelmente há muito mais em seu interior”, explica Dorn.
É isso que o Telescópio Espacial James Webb da NASA, que há dois anos envia dados do espaço para a Terra, está buscando encontrar. Ele é capaz de rastrear moléculas na atmosfera de exoplanetas. “Somente a composição da atmosfera superior de exoplanetas pode ser medida diretamente”, explica o cientista. “Nosso grupo deseja fazer a conexão da atmosfera com as profundezas internas dos corpos celestes.”
Os novos dados do exoplaneta chamado TOI-270d são particularmente interessantes. “Foram coletadas evidências lá da existência real de tais interações entre o oceano de magma em seu interior e a atmosfera”, diz Dorn, que estava envolvida na publicação correspondente sobre TOI-270d. Sua lista de objetos interessantes que ela deseja examinar mais de perto também inclui o planeta K2-18b, que chegou às manchetes por causa da probabilidade de haver vida nele.
Repensando a habitabilidade dos mundos aquáticos
A água é uma das pré-condições para o desenvolvimento da vida. Há muito tempo há especulações sobre a potencial habitabilidade de Super-Terras abundantes em água – ou seja, planetas com uma massa várias vezes maior que a da Terra e com uma superfície coberta por um oceano profundo e global. Então, cálculos sugeriram que muita água poderia ser hostil à vida. O argumento era que nesses mundos aquáticos uma camada de gelo exótico de alta pressão impediria a troca de substâncias vitais na interface entre o oceano e o manto do planeta.
O novo estudo agora chega a uma conclusão diferente: planetas com camadas profundas de água provavelmente são uma ocorrência rara, já que a maior parte da água em Super-Terras não está localizada na superfície, como se supunha até agora, mas está presa dentro do núcleo. Isso leva os cientistas a supor que mesmo planetas com um conteúdo de água relativamente alto poderiam ter o potencial de desenvolver condições habitáveis semelhantes às da Terra. Como Dorn e seus colegas concluem, seu estudo lança uma nova luz sobre a existência potencial de mundos abundantes em água que poderiam sustentar vida.
Referência: “O interior como reservatório de água dominante em super-Terras e sub-Netunos” por Haiyang Luo, Caroline Dorn e Jie Deng, 20 de agosto de 2024, Astronomia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02347-z
Caroline Dorn é professora de Exoplanetas no Departamento de Física da ETH Zurich. Sua pesquisa faz parte do Centro Nacional de Competência em Pesquisa PlanetS (NCCR) e o Centro de Origem e Prevalência da Vida (COPL) na ETH.
