Um planeta rochoso orbitando na zona habitável de uma estrela semelhante ao Sol pode parecer um lugar perfeito para a vida prosperar – mas não se for demasiado pequeno para manter a sua atmosfera.
Então, podemos nos perguntar: quanto menor Terra poderia ser e ainda ter sua deliciosamente respirável atmosfera? Quão pequeno poderia ser um exoplaneta para sustentar a vida como a conhecemos?
Com estas questões em mente, a cientista planetária Michelle Hill, da Universidade da Califórnia em Riverside, e os seus colegas simularam recentemente o que acontece com as atmosferas de mundos rochosos de diferentes tamanhos. Os mundos testados eram semelhantes à Terra e orbitavam no zonas habitáveis ao redor como o sol estrelas. Acontece que para um mundo manter uma atmosfera durante tempo suficiente para que a vida ganhe uma posição segura (alguns milhares de milhões de anos no mínimo), precisa de ser pelo menos tão grande quanto Marte.
Limitando a busca pela vida
A zona habitável – a área em torno de uma estrela onde as temperaturas são adequadas para a existência de água líquida na superfície de um planeta – é um terreno privilegiado na caça à vida alienígena. É também uma vizinhança difícil para as atmosferas dos exoplanetas, porque quanto mais próximo um planeta estiver de uma estrela, mais maneiras a radiação e o vento estelar tentarão destruir a atmosfera.
É por isso que Hill e os seus colegas simularam recentemente quanto tempo levaria para que planetas rochosos, semelhantes à Terra, de vários tamanhos, na zona habitável de uma estrela como o nosso Sol, perdessem as suas atmosferas. Em outras palavras, quão menor poderia ser a Terra, ou um planeta semelhante, e ainda manter uma atmosfera?
A resposta é que um planeta que sustente a atmosfera precisa ter cerca de 80% da largura da Terra, mas poderia tecnicamente ser tão pequeno quanto 60%. Isto oferece aos astrobiólogos uma pista sobre em quais planetas se concentrar na busca por mundos habitáveis e sinais de vida alienígena.
“A infinidade de exoplanetas cria um desafio interessante na busca por planetas potencialmente habitáveis”, escreveram Hill e seus colegas. “Dos muitos alvos nas zonas habitáveis da sua estrela, quais são os melhores candidatos para observações de acompanhamento com o objectivo de detectar bioassinaturas?” Em outras palavras, os astrobiólogos agora têm muitos planetas para escolher e não têm tempo de telescópio suficiente para pesquisar todos eles. Então, é hora de restringir a pesquisa.
Uma maneira de fazer isso é descobrir quais planetas têm maior probabilidade de serem habitáveis – e para a vida como a conhecemos, essa habitabilidade significa ter uma atmosfera.
Modelagem de atmosferas — e vulcões
O “Modelo de Habitabilidade Menor que a Terra” de Hill e seus colegas simula o destino das atmosferas em torno de versões digitais da Terra. Alguns dos mundos simulados são exatamente iguais ao nosso, mas menores, com a mesma composição química e as mesmas proporções de núcleo, manto e crosta. Outros têm quantidades ligeiramente diferentes de carbono, núcleos maiores ou menores ou temperaturas iniciais diferentes. O modelo traça o que acontece a estes mundos ao longo de alguns milhares de milhões de anos, com base em duas coisas: a rapidez com que o vento estelar e a radiação retiram o gás da atmosfera do planeta e com que rapidez vulcões bombear gás (principalmente dióxido de carbono) para substituí-lo.
O modelo mostra como a equipe percebeu que uma versão reduzida da Terra precisa ter pelo menos 80% da largura da Terra real (0,8 raio terrestre) para manter uma atmosfera no longo prazo. Planetas menores tendem a perder gás mais rápido do que as erupções vulcânicas podem substituí-lo.
Isso ocorre porque os planetas menores têm menos gravidade e campos magnéticos mais fracos para segurar seus finos envelopes de gás. Eles também geralmente não liberam gás suficiente de dentro para compensar a perda. Os seus mantos – a camada agitada de magma abaixo da crosta – tendem a libertar menos gás vulcânico ao longo do tempo, e as suas camadas superiores arrefecem e endurecem muito mais rapidamente. O último processo interrompe as erupções vulcânicas muito mais cedo na vida de um planeta.
Planetas menores agarrados às atmosferas
Ao alterar alguns dos parâmetros da Terra, a equipe conseguiu obter planetas tão pequenos quanto 0,6 raios terrestres para manter uma atmosfera estável. O carbono foi a chave: planetas com mais carbono nos seus mantos tendem a libertar mais gás dióxido de carbono em erupções, e isso acaba por ser o maior factor (além do tamanho) para saber se um planeta mantém a sua atmosfera.
“O dióxido de carbono é uma molécula pesada”, escreveram Hill e seus colegas, “o que pode torná-la uma molécula difícil de perder. Nós nos concentramos em uma atmosfera de dióxido de carbono puro como o melhor cenário para a retenção atmosférica.” Claro, esse é apenas o melhor cenário para algumas formas de vida relativamente simples, então sua milhagem astrobiológica pode variar.
Foram necessárias toneladas de carbono a mais do que a Terra contém para fazer uma diferença significativa no destino da atmosfera de um planeta – mas como é teoricamente possível que um planeta se forme com essa quantidade de carbono em sua composição, esse é um conhecimento útil. Planetas com núcleos relativamente menores e, portanto, mantos relativamente mais espessos, também tiveram melhor sorte na frente de retenção atmosférica. Começar com um suprimento maior de elementos radioativos, que se decompõem e liberam calor nas rochas circundantes, ajudou a manter o manto derretido e os gases vulcânicos em agitação em direção ao céu.
Começar com um manto mais frio também ajuda – o que parece surpreendente. Você pensaria que um manto mais quente teria maior probabilidade de expelir gases vulcânicos na atmosfera. No entanto, um manto mais frio leva mais tempo para começar a entrar em erupção, o que significa que o planeta consegue manter o seu reservatório de gases até que a sua estrela fique mais velha e mais estável.
As estrelas recém-nascidas são propensas a violentas explosões de radiação e plasma, que varreriam o gás vulcânico tão rapidamente quanto ele entrasse em erupção. Com um manto mais frio e erupções posteriores, o planeta consegue reter mais gás em erupção.
Uma segunda chance para mundos sem ar
Ainda há esperança de vida para mundos menores.
Mesmo os planetas que perdem completamente as suas atmosferas iniciais – em vez de as substituir gradualmente por coisas como o dióxido de carbono e o metano – podem ter uma segunda oportunidade de construir uma nova atmosfera.
Hill e os seus colegas sugerem que uma forma de um planeta recuperar a sua atmosfera perdida poderia ser através de impactos de cometas e asteróides, que poderiam libertar elementos voláteis como hidrogénio, oxigénio e carbono. Esses elementos podem se combinar para formar todos os tipos de gases atmosféricos.
Tais impactos podem ser especialmente úteis se acontecerem mais tarde na vida do sistema estelar, como depois de a estrela ter passado da sua fase juvenil de intensas erupções.
“Embora os planetas mais pequenos enfrentem maiores desafios na retenção de atmosferas, o nosso modelo sugere que podem desenvolver atmosferas nas condições certas,” escreveram Hill e os seus colegas, portanto, “mesmo aqueles que inicialmente perdem as suas atmosferas não devem ser imediatamente descartados como mundos potencialmente habitáveis.”
O que vem a seguir?
Simulações futuras usando o Modelo de Habitabilidade Menor que a Terra poderiam estudar mundos em torno de estrelas menores e mais frias chamadas anãs vermelhas — estrelas como TRAPPIST-1, que abriga pelo menos sete planetas rochosos, com três deles na zona habitável. Estas estrelas constituem cerca de 75% das estrelas da nossa galáxia, e a sua luz relativamente fraca torna mais fácil para telescópios como o Telescópio Espacial James Webb (JWST) para capturar imagens da luz estelar filtrada através das atmosferas dos planetas que passam entre a Terra e as suas estrelas hospedeiras.
Hill e os seus colegas também esperam explorar o que acontece com as atmosferas em torno de planetas bloqueados pelas marés, ou planetas onde as forças das marés mantêm o interior quente e sismicamente ativo, semelhante à lua de Júpiter, Io.
Os pesquisadores publicaram seu trabalho em junho em O Jornal de Ciência Planetária.
