Uma equipa internacional de investigadores utilizou o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA para medir a temperatura do exoplaneta rochoso TRAPPIST-1 b. A medição baseia-se na emissão térmica do planeta: energia emitida sob a forma de luz infravermelha detetada pelo MIRI (Mid-Infrared Instrument) do Webb. O resultado indica que o lado diurno do planeta tem uma temperatura de aproximadamente 500 K (cerca de 230º C) e sugere que não tem uma atmosfera significativa.

Esta é a primeira deteção de qualquer forma de luz emitida por um exoplaneta tão pequeno e frio como os planetas rochosos do nosso próprio Sistema Solar. O resultado marca um passo importante para determinar se os planetas que orbitam estrelas pequenas e ativas como TRAPPIST-1 podem sustentar atmosferas necessárias para suportar vida. É também um bom augúrio para a capacidade do Webb em caracterizar exoplanetas temperados, de tamanho terrestre, usando o MIRI do JWST, metade do qual foi contribuído pela Europa.

"Estas observações tiram realmente partido da capacidade do Webb em observar no infravermelho médio", disse Thomas Greene, astrofísico do Centro de Pesquisa Ames da NASA e autor principal do estudo publicado na revista Nature. "Nenhum dos telescópios anteriores teve sensibilidade para medir uma luz infravermelha tão fraca".

Planetas rochosos orbitando anãs vermelhas ultrafrias

No início de 2017, os astrónomos relataram a descoberta de sete planetas rochosos em órbita de uma estrela anã vermelha ultrafria (ou anã M) a 40 anos-luz da Terra. O que é notável acerca dos planetas é a sua semelhança em tamanho e massa com os planetas rochosos interiores do nosso próprio Sistema Solar. Embora todos eles orbitem muito mais perto da sua estrela do que os nossos orbitam o Sol - todos cabiam confortavelmente dentro da órbita de Mercúrio -, recebem quantidades comparáveis de energia da sua pequena estrela.

TRAPPIST-1 b, o planeta mais interior, tem uma distância orbital de cerca de um centésimo da da Terra e recebe cerca de quatro vezes a quantidade de energia que a Terra recebe do Sol. Embora não esteja dentro da zona habitável do sistema, as observações do planeta podem fornecer informações importantes sobre os seus planetas irmãos, bem como sobre outros sistemas em torno de anãs M.

"Há dez vezes mais estrelas como esta na Via Láctea do que estrelas como o Sol, e é duas vezes mais provável que tenham planetas rochosos do que estrelas como o Sol", explicou Greene. "Mas também são muito ativas - são muito brilhantes quando são jovens e emitem surtos e raios-X que podem destruir uma atmosfera".

Elsa Ducrot, coautora do artigo e pertencente ao CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives) na França, que fazia parte da equipa que realizou os estudos iniciais do sistema TRAPPIST-1, acrescentou: "É mais fácil caracterizar os planetas terrestres em torno de estrelas mais pequenas e frias. Se quisermos compreender a habitabilidade em torno das estrelas M, o sistema TRAPPIST-1 é um excelente laboratório. Estes são os melhores alvos que temos para olhar para as atmosferas dos planetas rochosos".

Detetando uma atmosfera (ou não)

Curva de luz que mostra a mudança no brilho do sistema TRAPPIST-1, à medida que o planeta mais interior, TRAPPIST-1 b se desloca por detrás da estrela. Este fenómeno é conhecido como eclipse secundário. Os quadrados azuis são medições individuais de brilho. Os círculos vermelhos mostram as médias das medições, simplificando as mudanças ao longo do tempo. A diminuição no brilho, durante o eclipse secundário, foi inferior a 0,1%. O MIRI foi capaz de detetar mudanças tão pequenas quanto 0,027%. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (Ames da NASA), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)

Observações anteriores de TRAPPIST-1 b com o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, bem como com o Telescópio Espacial Spitzer da NASA, não encontraram evidências de uma atmosfera inchada, mas não foram capazes de descartar uma atmosfera densa.

Uma forma de reduzir a incerteza é medir a temperatura do planeta. "Este planeta sofre bloqueio de maré, com o mesmo lado sempre virado para a estrela e o outro em escuridão permanente", disse Pierre-Olivier Lagage, também do CEA, coautor do artigo científico. "Se tiver uma atmosfera para circular e redistribuir o calor, o lado diurno será mais fresco do que se não houver atmosfera".

A equipa utilizou uma técnica chamada fotometria de eclipse secundário, na qual o MIRI mediu a mudança no brilho do sistema à medida que o planeta se movia por detrás da estrela. Embora TRAPPIST-1 b não seja suficientemente quente para emitir a sua própria luz visível, brilha no infravermelho. Ao subtrair o brilho da estrela por si só (durante o eclipse secundário) do brilho combinado da estrela e do planeta, foram capazes de calcular com sucesso quanta luz infravermelha está a ser emitida pelo planeta.

Medindo alterações minúsculas no brilho

Comparação da temperatura no lado diurno de TRAPPIST-1 b, medida pelo MIRI do JWST, com modelos de computador mostrando quais seriam as temperaturas sob várias condições. Os modelos têm em conta várias propriedades conhecidas do sistema, como o tamanho e densidade do planeta, a temperatura da estrela e a distância orbital do planeta. Para efeitos de comparação, também são mostradas as temperaturas de Mercúrio e da Terra. A temperatura medida de 500 K (aproximadamente 230º C) é consistente com a assumida para um planeta que sofre bloqueio de maré e tem uma superfície escura, sem atmosfera nem redistribuição de calor entre ambos os hemisférios diurno e noturno. Se o calor da estrela fosse distribuído em torno do planeta (por exemplo, por uma atmosfera sem dióxido de carbono), a temperatura seria de 400 K (125º C). Embora TRAPPIST-1 b seja quente, em comparação com a Terra, é mais frio do que o lado diurno de Mercúrio, que é praticamente rocha nua sem uma atmosfera significativa. Mercúrio recebe 1,6 vezes mais energia do Sol do que TRAPPIST-1 b recebe da sua estrela. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (Ames da NASA), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)

A deteção de um eclipse secundário pelo Webb é, por si própria, um marco importante. Sendo a estrela mais de 1000 vezes mais brilhante do que o planeta, a mudança de brilho é inferior a 0,1%.

"Houve também algum receio de que perdêssemos o eclipse. Os planetas puxam-se todos uns aos outros, pelo que as órbitas não são perfeitas", disse Taylor Bell, investigador pós-doutorado do BAERI (Bay Area Environmental Research Institute), que analisou os dados. "Mas foi simplesmente espantoso: a hora do eclipse que vimos nos dados correspondeu à hora prevista com um erro de apenas um par de minutos".

A análise dos dados de cinco observações separadas do eclipse secundário indica que TRAPPIST-1 b tem uma temperatura diurna de cerca de 500 K, cerca de 230º C. A equipa pensa que a interpretação mais provável é que o planeta não tem uma atmosfera.

"Comparámos os resultados com modelos de computador mostrando qual deveria ser a temperatura em diferentes cenários", explicou Ducrot. "Os resultados são quase perfeitamente consistentes com um corpo negro feito de rocha nua e sem atmosfera para fazer circular o calor. Também não vimos quaisquer sinais de luz sendo absorvida pelo dióxido de carbono, o que seria aparente nestas medições".

Esta investigação foi realizada como parte do programa 1177 do GTO (Guaranteed Time Observation), que é um dos oito programas GTO e GO (General Observer) aprovados e concebidos para ajudar a caracterizar totalmente o sistema TRAPPIST-1. Observações adicionais do eclipse secundário de TRAPPIST-1 b estão atualmente em curso, e agora que sabem quão bons os dados podem ser, a equipa espera eventualmente capturar uma curva de fase completa mostrando a mudança de luminosidade em toda a órbita. Isto permitir-lhes-á ver como a temperatura muda do lado diurno para o lado noturno e confirmar se o planeta tem ou não uma atmosfera.

"Eu sonhava com um alvo", disse Lagage, que trabalhou no desenvolvimento do MIRI durante mais de duas décadas. "Sonhava com este. Esta é a primeira vez que podemos detetar a emissão de um planeta rochoso e temperado. É um passo realmente importante na história da descoberta exoplanetária".

// ESA (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// CEA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature)
// Artigo científico (arXiv.org)

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