Webb revela, como nunca antes, uma atmosfera exoplanetária

WEBB REVELA, COMO NUNCA ANTES, UMA ATMOSFERA EXOPLANETÁRIA
25 de novembro de 2022

Impressão de artista do exoplaneta WASP-39 b e da sua estrela. O planeta tem uma atmosfera difusa de cor laranja-azulada com traços de nuvens longitudinais por baixo. O quarto esquerdo do planeta (o lado virado para a estrela) está iluminado, enquanto que o resto está na sombra. A estrela é branca-amarelada, sem características nítidas.
Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

O Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA acabou de "marcar outro golo": um retrato molecular e químico dos céus de um mundo distante. Ao passo que o Webb e outros telescópios espaciais, incluindo o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, revelaram anteriormente ingredientes isolados da atmosfera quente deste planeta, as novas leituras fornecem um menu completo de átomos, moléculas e até mesmo sinais de química ativa e nuvens. Os últimos dados também fornecem pistas de como estas nuvens podem parecer quando vistas de perto: isoladas em vez de como um cobertor único e uniforme sobre o planeta.

O conjunto de instrumentos altamente sensíveis do telescópio analisou a atmosfera de WASP-39 b, um "Saturno quente" (um planeta tão massivo quanto Saturno, mas numa órbita mais íntima que a de Mercúrio em torno do Sol) em órbita de uma estrela a cerca de 700 anos-luz de distância. Este exoplaneta do tamanho de Saturno foi um dos primeiros examinados pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA quando iniciou operações científicas regulares. Os resultados entusiasmaram a comunidade científica exoplanetária. Os instrumentos de sensibilidade requintada do Webb forneceram um perfil dos constituintes atmosféricos de WASP-39 b e identificaram uma pletora de conteúdos, incluindo água, dióxido de enxofre, monóxido de carbono, sódio e potássio.

As descobertas são um bom presságio da capacidade dos instrumentos do Webb em realizar a vasta gama de investigações exoplanetárias - investigações de planetas em torno de outras estrelas - esperada pela comunidade científica. Isto inclui a análise das atmosferas de planetas mais pequenos e rochosos, como os do sistema TRAPPIST-1.

"Observámos o exoplaneta com vários instrumentos que, em conjunto, cobrem uma ampla faixa do espectro infravermelho e uma panóplia de impressões digitais químicas inacessíveis antes do JWST", disse Natalie Batalhas, astrónoma da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, que contribuiu e ajudou a coordenar a nova investigação. "Dados como estes 'mudam completamente o jogo'".

Os achados foram detalhados num conjunto de cinco novos artigos científicos, três dos quais já foram divulgados pela imprensa científica e dois ainda estão em revisão. Entre as revelações sem precedentes está a primeira deteção, numa atmosfera exoplanetária, de dióxido de enxofre, uma molécula produzida a partir de reações químicas desencadeadas pela luz altamente energética da estrela hospedeira do planeta. Na Terra, a camada protetora de ozono, na atmosfera superior, é criada de forma semelhante.

"Esta é a primeira vez que vemos evidências concretas de fotoquímica - reações químicas iniciadas pela luz estelar energética - em exoplanetas", disse Shang-Min Tsai, investigador na Universidade de Oxford, Reino Unido, e autor principal do artigo que explica a origem do dióxido de enxofre na atmosfera de WASP-39 b. "Vejo isto como uma perspetiva realmente promissora para, com esta missão, fazer avançar a nossa compreensão das atmosferas exoplanetárias".

Isto levou a outro "primeiro": a aplicação de modelos computacionais de fotoquímica, por parte dos cientistas, a dados que exigem que tal física seja totalmente explicada. As melhorias resultantes na modelagem vão ajudar a construir o "know-how" tecnológico necessário para interpretar, no futuro, potenciais sinais de habitabilidade.

"Os planetas são esculpidos e transformados ao orbitarem no 'banho de radiação' da estrela hospedeira", disse Batalha. "Na Terra, essas transformações permitem que a vida prospere".

A proximidade do planeta à sua estrela-mãe - oito vezes mais perto do que Mercúrio está do Sol - também o torna um laboratório ideal para estudar os efeitos da radiação das estrelas hospedeiras nos exoplanetas. Um melhor conhecimento da ligação estrela-planeta deverá trazer uma compreensão mais profunda de como estes processos afetam a diversidade dos planetas observados na Galáxia.

Outros constituintes atmosféricos detetados pelo telescópio Webb incluem sódio (Na), potássio (K) e vapor de água (H2O), confirmando observações telescópicas anteriores terrestres e espaciais, bem como a descoberta de impressões digitais da água, nestes comprimentos de onda mais longos, que nunca tinham sido vistos antes.

O Webb também viu dióxido de carbono (CO2) com maior resolução, fornecendo duas vezes mais dados do que os relatados nas suas observações anteriores. Entretanto, o monóxido de carbono (CO) foi detetado, mas as assinaturas óbvias de metano (CH4) e sulfureto de hidrogénio (H2S) ficaram ausentes dos dados do Webb. Se presentes, estas moléculas existem a níveis muito baixos.

Para capturar este largo espectro da atmosfera de WASP-39 b, uma equipa internacional de centenas de cientistas analisou independentemente os dados de quatro modos dos instrumentos finamente calibrados do telescópio Webb.

"Tínhamos previsto o que [o telescópio] nos mostraria, mas foi mais preciso, mais diverso e mais bonito do que acreditava ser possível", disse Hannah Wakeford, astrofísica da Universidade de Bristol, no Reino Unido, que investiga atmosferas exoplanetárias.

Ter uma lista tão completa de ingredientes químicos numa atmosfera exoplanetária também dá aos cientistas um vislumbre da abundância de diferentes elementos uns em relação aos outros, tais como os rácios carbono/oxigénio ou potássio/oxigénio. Isto, por sua vez, proporciona uma visão de como este planeta - e talvez outros - se formou a partir do disco de gás e poeira que rodeava a estrela-mãe nos seus primeiros anos.

O inventário químico de WASP-39 b sugere uma história de colisões e fusões de corpos mais pequenos chamados planetesimais para criar um eventual "Golias" planetário.

"A abundância de enxofre relativamente ao hidrogénio indicou que o planeta presumivelmente sofreu uma grande acreção de planetesimais que podem fornecer estes ingredientes à atmosfera", disse Kazumasa Ohno, investigador exoplanetário da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, que trabalhou nos dados do Webb. "Os dados também indicam que o oxigénio é muito mais abundante do que o carbono na atmosfera. Isto indica potencialmente que WASP-39 b se formou originalmente muito longe da estrela central".

Ao revelar com precisão os detalhes de uma atmosfera exoplanetária, os instrumentos do telescópio Webb tiveram um desempenho muito superior às expetativas dos cientistas - e prometem uma nova fase de exploração da grande variedade de exoplanetas na Galáxia.

"Vamos poder ver o grande quadro das atmosferas dos exoplanetas", disse Laura Flagg, investigadora da Universidade de Cornell e membro da equipa internacional. "É incrivelmente excitante saber que tudo vai ser reescrito. Essa é uma das melhores partes de se ser cientista".

A composição atmosférica do quente exoplaneta gigante gasoso WASP-39 b foi revelada pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA. Este gráfico mostra quatro espectros de transmissão de três dos instrumentos do Webb operados em quatro modos. Todos são representados numa escala comum que se estende de 0,5 a 5,5 micrómetros.
Um espectro de transmissão é feito comparando a luz estelar filtrada através da atmosfera de um planeta à medida que este se move em frente da estrela, com a luz estelar não filtrada detetada quando o planeta está ao lado da estrela. Cada um dos pontos de dados (círculos brancos) nestes gráficos representa a quantidade de um comprimento de onda específico de luz que é bloqueado pelo planeta e absorvido pela sua atmosfera. Os comprimentos de onda que são preferencialmente absorvidos pela atmosfera aparecem como picos no espectro de transmissão.
A linha azul é um modelo mais adequado que tem em conta os dados, as propriedades conhecidas de WASP-39 b e a sua estrela (por exemplo, tamanho, massa, temperatura), e as características assumidas da atmosfera. Os investigadores podem variar os parâmetros do modelo - alterando características desconhecidas como a altura das nuvens na atmosfera e a abundância de vários gases - para obter um melhor ajuste e compreender melhor como a atmosfera realmente é.
No canto superior esquerdo, os dados do NIRISS mostram impressões digitais de potássio (K), água (H2O) e monóxido de carbono (CO). No canto superior direito, os dados do NIRCam mostram uma assinatura de água proeminente. Na parte inferior esquerda, os dados do NIRSpec indicam água, dióxido de enxofre (SO2), dióxido de carbono (CO2), e monóxido de carbono (CO). Na parte inferior direita, dados adicionais do NIRSpec revelam todas estas moléculas, bem como sódio (Na).
Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

Saiba mais

CCVAlg - Astronomia:
30/08/2022 - Webb deteta dióxido de carbono em atmosfera exoplanetária
06/03/2018 - Hubble observa atmosfera exoplanetária em detalhe inédito

Notícias relacionadas:
Nature
SPACE.com
Universe Today
New Scientist
COSMOS
PHYSORG
BBC News
Forbes
The Verge
Gizmodo
SAPO
Notícias ao Minuto

WASP-39 b:
NASA Exoplanet Archive
Exoplanet.eu
Open Exoplanet Catalogue
Wikipedia

Exoplanetas:
Wikipedia
Lista de planetas (Wikipedia)
Lista de exoplanetas potencialmente habitáveis (Wikipedia)
Lista de extremos (Wikipedia)
Open Exoplanet Catalogue
NASA
Enciclopédia dos Planetas Extrasolares

JWST (Telescópio Espacial James Webb):
NASA
STScI
STScI (website para o público)
ESA
ESA/Webb
Wikipedia
Facebook
Twitter
Instagram
Blog do JWST (NASA)
Programas GO do Webb (STScI)
NIRISS (NASA)
NIRCam (NASA)
MIRI (NASA)
NIRSpec (NASA)