James Webb revela atmosfera de exoplaneta como nunca se viu antes

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Concepção artística do exoplaneta WASP-39 b: atmosfera examinada em detalhes pelo James Webb. Crédito: Nasa, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

O Telescópio Espacial James Webb, da Nasa/ESA/CSA, acabou de fazer, de forma inédita, um retrato molecular e químico dos céus de um mundo distante. Enquanto o Webb e outros telescópios espaciais, incluindo o Hubble, da Nasa/ESA, já haviam revelado ingredientes isolados da atmosfera desse planeta aquecido, as novas leituras fornecem um cardápio completo de átomos, moléculas e até sinais de química ativa e nuvens. Os dados mais recentes também dão uma dica de como essas nuvens podem parecer de perto: quebradas, em vez de um cobertor único e uniforme sobre o planeta.

O conjunto de instrumentos altamente sensíveis do telescópio foi direcionado para a atmosfera de WASP-39 b, um “Saturno quente” (um planeta com a massa de Saturno, mas em uma órbita mais estreita que a de Mercúrio) orbitando uma estrela a cerca de 700 anos-luz de distância. Esse exoplaneta do tamanho de Saturno foi um dos primeiros examinados pelo Webb quando o telescópio iniciou operações científicas regulares.

Os resultados entusiasmaram a comunidade científica envolvida no estudo de exoplanetas. Os instrumentos extremamente sensíveis do Webb forneceram um perfil dos constituintes atmosféricos do WASP-39 b e identificaram uma infinidade de conteúdos, incluindo água, dióxido de enxofre, monóxido de carbono, sódio e potássio.

Bom presságio

As descobertas são um bom presságio para a capacidade dos instrumentos do Webb de conduzir uma ampla gama de investigações de exoplanetas – planetas ao redor de outras estrelas – esperados pela comunidade científica. Isso inclui sondar as atmosferas de planetas rochosos menores, como os do sistema TRAPPIST-1.

“Observamos o exoplaneta com vários instrumentos que juntos cobrem uma ampla faixa do espectro infravermelho e uma panóplia de impressões digitais químicas inacessíveis até o JWST”, disse Natalie Batalha, astrônoma da Universidade da Califórnia em Santa Cruz (EUA) que contribuiu para e ajudou a coordenar a nova pesquisa. “Dados como esses são uma virada de jogo.”

O conjunto de descobertas é detalhado em um conjunto de cinco novos artigos científicos, três dos quais estão no prelo e dois estão em revisão (os cinco têm como primeiros autores, na ordem, Lili Alderson, Z. Rustamkulov, Eva-Maria Ahrer, Adina D. Feinstein e Shang-Min Tsai). Entre as revelações sem precedentes está a primeira detecção na atmosfera de um exoplaneta de dióxido de enxofre, uma molécula produzida a partir de reações químicas desencadeadas pela luz de alta energia da estrela-mãe do planeta. Na Terra, a camada protetora de ozônio na atmosfera superior é criada de maneira semelhante.

“Esta é a primeira vez que vimos evidências concretas de fotoquímica – reações químicas iniciadas por luz estelar energética – em exoplanetas”, disse Shang-Min Tsai, pesquisador da Universidade de Oxford (Reino Unido) e principal autor do artigo explicando a origem do dióxido de enxofre na atmosfera do WASP-39 b. “Vejo isso como uma perspectiva realmente promissora para avançar nossa compreensão das atmosferas dos exoplanetas com [esta missão].”

Laboratório para estudo de radiação

Isso levou a outra novidade: cientistas aplicando modelos de computador de fotoquímica a dados que exigem que essa física seja totalmente explicada. As melhorias resultantes na modelagem ajudarão a construir o know-how tecnológico necessário para interpretar possíveis sinais de habitabilidade no futuro.

“Os planetas são esculpidos e transformados orbitando dentro do banho de radiação da estrela hospedeira”, disse Batalha. “Na Terra, essas transformações permitem que a vida prospere.”

A proximidade do planeta com sua estrela hospedeira – oito vezes mais perto do que Mercúrio está do nosso Sol – também o torna um laboratório para estudar os efeitos da radiação de estrelas hospedeiras em exoplanetas. Um melhor conhecimento da conexão estrela-planeta deve trazer uma compreensão mais profunda de como esses processos afetam a diversidade de planetas observados na galáxia.

Outros constituintes atmosféricos detectados pelo telescópio Webb incluem sódio (Na), potássio (K) e vapor d’água (H2O), confirmando observações anteriores de telescópios espaciais e terrestres, bem como encontrando impressões digitais adicionais de água, nesses comprimentos de onda mais longos, que não foi visto antes.

Espectro amplo

O Webb também viu o dióxido de carbono (CO2) em resolução mais alta, fornecendo o dobro de dados relatados em suas observações anteriores. Enquanto isso, o monóxido de carbono (CO) foi detectado, mas assinaturas óbvias de metano (CH4) e sulfeto de hidrogênio (H2S) estavam ausentes nos dados do Webb. Se presentes, essas moléculas ocorrem em níveis muito baixos lá.

Para capturar esse amplo espectro da atmosfera do WASP-39 b, uma equipe internacional de centenas de pesquisadores analisou independentemente os dados de quatro modos de instrumentos finamente calibrados do telescópio Webb.

“Tínhamos previsto o que [o telescópio] nos mostraria, mas isso era mais preciso, mais diverso e mais bonito do que eu realmente acreditava que seria”, disse Hannah Wakeford, astrofísica da Universidade de Bristol (Reino Unido) que investiga atmosferas de exoplanetas.

Ter uma lista tão completa de ingredientes químicos em uma atmosfera exoplanetária também dá aos cientistas um vislumbre da abundância de diferentes elementos em relação uns aos outros, como as proporções carbono-oxigênio ou potássio-oxigênio. Isso, por sua vez, fornece informações sobre como esse planeta – e talvez outros – se formou a partir do disco de gás e poeira que envolve a estrela-mãe em seus anos mais jovens.

Colisões e fusões

O inventário químico do WASP-39 b sugere uma história de colisões e fusões de corpos menores chamados planetesimais para criar um planeta gigante.

“A abundância de enxofre [em relação ao] hidrogênio indicou que o planeta presumivelmente experimentou um acréscimo significativo de planetesimais que podem fornecer [esses ingredientes] para a atmosfera”, disse Kazumasa Ohno, pesquisador de exoplanetas da Universidade da Califórnia em Santa Cruz que trabalhou nos dados do Webb. “Os dados também indicam que o oxigênio é muito mais abundante que o carbono na atmosfera. Isso indica potencialmente que o WASP-39 b se formou originariamente longe da estrela central.”

Ao revelarem com precisão os detalhes da atmosfera de um exoplaneta, os instrumentos do telescópio Webb tiveram um desempenho muito além das expectativas dos cientistas – e prometem uma nova fase de exploração da ampla variedade de exoplanetas na galáxia.

“Seremos capazes de ver o quadro geral das atmosferas dos exoplanetas”, disse Laura Flagg, pesquisadora da Universidade Cornell (EUA) e membro da equipe internacional. “É incrivelmente emocionante saber que tudo será reescrito. Essa é uma das melhores partes de ser um cientista.”



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