Investigadores, ao recorrer ao Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA, poderão ter detetado gases atmosféricos em torno de 55 Cancri e, um exoplaneta rochoso e quente a 41 anos-luz da Terra. Esta é a melhor evidência até à data da existência de uma atmosfera num planeta rochoso para lá do nosso Sistema Solar.

Renyu Hu, do JPL da NASA em Pasadena, Califórnia, EUA, é o autor principal de um artigo científico publicado na revista Nature. "O Webb está a alargar as fronteiras da caracterização exoplanetária aos planetas rochosos", disse Renyu Hu. "Está verdadeiramente a permitir um novo tipo de ciência".

A super-Terra superquente 55 Cancri e

55 Cancri e é um de cinco planetas conhecidos que orbitam uma estrela semelhante ao Sol na direção da constelação de Caranguejo. Com um diâmetro quase duas vezes superior ao da Terra e uma densidade ligeiramente maior, o planeta está classificado como uma super-Terra: maior do que a Terra, mais pequeno do que Neptuno e provavelmente com uma composição semelhante à dos planetas rochosos do nosso Sistema Solar.

No entanto, descrever 55 Cancri e como rochoso pode dar uma impressão errada. O planeta orbita tão perto da sua estrela (cerca de 2,25 milhões de quilómetros, ou 1/25 da distância entre Mercúrio e o Sol) que a sua superfície está provavelmente fundida - um oceano borbulhante de magma. Numa órbita tão íntima, é provável que o planeta sofra acoplamento de maré, com um lado diurno sempre virado para a estrela e um lado noturno em perpétua escuridão.

Apesar das numerosas observações efetuadas desde que o seu trânsito foi descoberto em 2011, a questão de saber se 55 Cancri e tem ou não uma atmosfera - ou se poderia ter uma, dada a sua elevada temperatura e o constante ataque de radiação e vento da sua estrela - tem ficado sem resposta.

"Estudei este planeta durante mais de uma década", disse Diana Dragomir, investigadora exoplanetária na Universidade do Novo México, EUA, e coautora do estudo. "Tem sido muito frustrante que nenhuma das observações que temos recebido tenha resolvido estes mistérios de forma robusta. Estou entusiasmada por estarmos finalmente a obter algumas respostas!"

Ao contrário das atmosferas dos gigantes gasosos, que são relativamente fáceis de detetar (a primeira foi detetada pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA há mais de duas décadas), as atmosferas mais finas e mais densas que rodeiam os planetas rochosos têm permanecido esquivas.

Estudos anteriores de 55 Cancri e, utilizando dados do Telescópio Espacial Spitzer da NASA, agora aposentado, sugeriam a presença de uma atmosfera substancial, rica em voláteis (moléculas que se encontram sob a forma de gás na Terra) como o oxigénio, o azoto e o dióxido de carbono. Mas os investigadores não puderam excluir outra possibilidade: que o planeta esteja nu, à exceção de uma ténue camada de rocha vaporizada, rica em elementos como o silício, o ferro, o alumínio e o cálcio. "O planeta é tão quente que alguma da rocha fundida deve evaporar-se", explicou Renyu.

Medição de variações subtis no infravermelho

Para distinguir entre as duas hipóteses, a equipa utilizou os instrumentos NIRCam (Near-Infrared Camera) e MIRI (Mid-Infrared Instrument) do Webb para medir a luz infravermelha de 4 a 12 micrómetros proveniente do planeta.

Embora o Webb não consiga captar uma imagem direta de 55 Cancri e, consegue medir alterações subtis na luz de todo o sistema à medida que o planeta orbita a estrela.

Ao subtrair o brilho durante o eclipse secundário, quando o planeta está atrás da estrela (com apenas a luz da estrela), do brilho quando o planeta está mesmo ao lado da estrela (luz da estrela e do planeta combinadas), a equipa conseguiu calcular a quantidade de vários comprimentos de onda de luz infravermelha proveniente do lado diurno do planeta.

Esta curva de luz mostra a mudança no brilho do sistema 55 Cancri à medida que o planeta rochoso 55 Cancri e, o mais próximo dos cinco planetas conhecidos do sistema, se move atrás da estrela. Este fenómeno é conhecido como um eclipse secundário. Quando o planeta está ao lado da estrela, a luz infravermelha média emitida tanto pela estrela como pelo lado diurno do planeta chega ao telescópio, e o sistema aparece mais brilhante. Quando o planeta está atrás da estrela, a luz emitida pelo planeta é bloqueada e apenas a luz estelar chega ao telescópio, fazendo com que o brilho aparente diminua. Os astrónomos podem subtrair o brilho da estrela do brilho combinado da estrela e do planeta para calcular a quantidade de luz infravermelha que vem do lado diurno do planeta. Isto é então usado para calcular a temperatura do lado diurno e inferir se o planeta tem ou não uma atmosfera. O gráfico mostra dados recolhidos usando o modo de espetroscopia de baixa resolução no MIRI (Mid-Infrared Instrument) do Webb em março de 2023. Cada um dos pontos de dados púrpura mostra o brilho da luz com um comprimento de onda entre 7,5 e 11,8 micrómetros, em média em intervalos de cerca de cinco minutos. A linha cinzenta é o melhor ajuste, ou seja, o modelo de curva de luz que mais se aproxima dos dados. A diminuição do brilho durante o eclipse secundário é de apenas 110 partes por milhão, ou cerca de 0,011 por cento. A temperatura do planeta calculada a partir desta observação é de cerca de 1800 K (cerca de 1500 graus Celsius), o que é significativamente inferior ao que seria de esperar se o planeta não tivesse atmosfera ou tivesse apenas uma fina atmosfera de rocha vaporizada. Esta temperatura relativamente baixa indica que o calor está a ser distribuído do lado diurno para o lado noturno, possivelmente por uma atmosfera rica em voláteis. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), A. Bello-Arufe (JPL)

Este método, conhecido como espetroscopia de eclipse secundário, é semelhante ao utilizado por outras equipas de investigação para procurar atmosferas noutros exoplanetas rochosos, como TRAPPIST-1 b.

Mais frio do que o esperado

A primeira indicação de que 55 Cancri e poderia ter uma atmosfera substancial veio de medições de temperatura baseadas na sua emissão térmica, o calor libertado sob a forma de luz infravermelha. Se o planeta estiver coberto de rocha fundida escura com um fino véu de rocha vaporizada, ou se não tiver qualquer atmosfera, a temperatura diurna deverá rondar os 2200º C.

"Ao invés, os dados do MIRI mostram uma temperatura relativamente baixa de cerca de 1540º C", disse Renyu. "Isto é uma indicação muito forte de que a energia está a ser distribuída do lado diurno para o lado noturno, muito provavelmente por uma atmosfera rica em voláteis." Embora as correntes de lava possam transportar algum calor para o lado noturno, não conseguem movê-lo de forma suficientemente eficaz para explicar o efeito de arrefecimento.

Quando a equipa analisou os dados do NIRCam, viu padrões consistentes com uma atmosfera rica em voláteis. "Vemos evidências de uma queda no espetro entre 4 e 5 micrómetros - menos desta luz está a chegar ao telescópio", explicou o coautor Aaron Bello-Arufe, também do JPL. "Isto sugere a presença de uma atmosfera contendo monóxido de carbono ou dióxido de carbono, que absorvem estes comprimentos de onda da luz". Um planeta sem atmosfera ou com apenas rocha vaporizada numa atmosfera não teria esta característica espetral específica.

"Esta é uma notícia empolgante", disse a coautora Yamila Miguel do Observatório de Leiden e do SRON (Netherlands Institute for Space Research), ambos nos Países Baixos. "Passámos os últimos dez anos a modelar diferentes cenários, a tentar imaginar o aspeto deste mundo. Ter finalmente uma confirmação do nosso trabalho não tem preço!"

Um espetro de emissão térmica captado pelo NIRCam (Near-Infrared Camera) do Webb em novembro de 2022 e pelo MIRI (Mid-Infrared Instrument) em março de 2023, mostra o brilho (eixo do y) de diferentes comprimentos de onda de luz infravermelha (eixo do x) emitida pela super-Terra 55 Cancri e. O espetro mostra que o planeta pode estar rodeado por uma atmosfera rica em dióxido de carbono ou monóxido de carbono e outros voláteis, e não apenas rocha vaporizada. O gráfico compara os dados recolhidos pelo NIRCam (pontos laranja) e MIRI (pontos roxos) com dois modelos diferentes. O modelo A, a vermelho, mostra como deveria ser o espetro de emissão de 55 Cancri e se tivesse uma atmosfera feita de rocha vaporizada. O modelo B, a azul, mostra como deveria ser o espetro de emissão se o planeta tivesse uma atmosfera rica em voláteis, libertada por um oceano de magma com um conteúdo volátil semelhante ao do manto da Terra. Tanto os dados do MIRI como os do NIRCam são consistentes com o modelo rico em voláteis. A quantidade de luz infravermelha média emitida pelo planeta (MIRI) mostra que a sua temperatura diurna é significativamente mais baixa do que seria se não tivesse uma atmosfera para distribuir o calor do lado diurno para o lado noturno. A queda no espetro entre 4 e 5 micrómetros (dados do NIRCam) pode ser explicada pela absorção desses comprimentos de onda por moléculas de monóxido ou dióxido de carbono na atmosfera. O espetro foi obtido através da medição do brilho da luz de 4 a 5 micrómetros com o espetrómetro GRISM do NIRCam do Webb, e da luz de 5 a 12 micrómetros com o espetrómetro de baixa resolução do MIRI, antes, durante e depois do planeta se mover atrás da sua estrela (o eclipse secundário). A quantidade de cada comprimento de onda emitido pelo planeta (eixo do y) foi calculada subtraindo o brilho da estrela isolada (durante o eclipse secundário) ao brilho da estrela e do planeta combinados (antes e depois do eclipse). Cada observação durou cerca de oito horas. Note que os dados do NIRCam foram deslocados verticalmente para se alinharem com o Modelo B. Embora as diferenças de brilho entre cada comprimento de onda na banda do NIRCam tenham sido derivadas da observação (os dados sugerem um vale entre 4 e 5 micrómetros), o brilho absoluto (a posição vertical desse vale) não pôde ser medido com precisão devido ao ruído nos dados. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), R. Hu (JPL), A. Bello-Arufe (JPL), M. Zhang (Universidade de Chicago), M. Zilinskas (SRON, Netherlands Institute for Space Research)

Oceano de magma borbulhante

A equipa pensa que os gases que cobrem 55 Cancri e estariam a borbulhar do interior, em vez de estarem presentes desde a formação do planeta. "A atmosfera primária já terá desaparecido há muito tempo devido à alta temperatura e à intensa radiação da estrela", disse Aaron. "Esta será uma atmosfera secundária que é continuamente reabastecida pelo oceano de magma. O magma não é apenas cristais e rocha líquida, tem também muito gás dissolvido".

Muito provavelmente, qualquer atmosfera que rodeie o planeta será mais complexa e bastante variável, em resultado das interações com o oceano de magma. Para além do monóxido de carbono ou do dióxido de carbono, poderá haver gases como o azoto, vapor de água, dióxido de enxofre, alguma rocha vaporizada e até nuvens de curta duração feitas de pequenas gotículas de lava condensadas no ar.

Embora 55 Cancri e seja demasiado quente para ser habitável, os investigadores pensam que pode constituir uma janela única para estudar as interações entre as atmosferas, as superfícies e os interiores dos planetas rochosos, e talvez fornecer informações sobre o passado da Terra, de Vénus e de Marte, que se pensa terem sido cobertos por oceanos de magma. "Em última análise, queremos compreender quais as condições que tornam possível a um planeta rochoso manter uma atmosfera rica em gás, um ingrediente chave para um planeta habitável", disse Renyu.

Esta investigação foi realizada como parte do Programa GO (General Observers) 1952 do Webb. A análise de observações adicionais do eclipse secundário de 55 Cancri e está atualmente em curso. No futuro, a equipa espera capturar uma curva de fase completa com o Webb para mapear as diferenças de temperatura de um lado do planeta para o outro, para ter uma melhor noção da meteorologia, do clima e das condições atmosféricas mais detalhadas do planeta.

// ESA (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// Universidade do Novo México (comunicado de imprensa)
// Observatório de Leiden (comunicado de imprensa)
// Universidade de Berna (comunicado de imprensa)
// Universidade de Estocolmo (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature)
// Artigo científico (arXiv.org)

Quer saber mais?

CCVAlg - Astronomia:
03/10/2023 - Estudo lança nova luz sobre os estranhos mundos de lava
31/05/2022 - Geologia a 50 anos-luz: o Webb prepara-se para estudar mundos rochosos
28/12/2018 - Safiras e rubis no céu
21/11/2017 - Lava ou não, o exoplaneta 55 Cancri e tem provavelmente uma atmosfera
01/04/2016 - Spitzer mapeia padrões climáticos numa super-Terra
19/02/2016 - Primeira análise da atmosfera de uma super-Terra
08/05/2015 - Astrónomos encontram primeiras evidências de alterações numa super-Terra
25/04/2014 - Resolvidos mistérios de sistema planetário próximo
03/05/2011 - Super-Terra descoberta em estrela visível a olho nu

Notícias relacionadas:
Nature
EurekAlert!
Astronomy
SPACE.com
Science alert
PHYSORG
BBC Sky at Night Magazine
Gizmodo
Reuters
Público

55 Cancri e:
NASA
ipac
Exoplanet.eu 
Wikipedia

Exoplanetas:
Wikipedia
Lista de planetas (Wikipedia)
Lista de exoplanetas potencialmente habitáveis (Wikipedia)
Lista de exoplanetas mais próximos (Wikipedia)
Lista de extremos (Wikipedia)
Lista de exoplanetas candidatos a albergar água líquida (Wikipedia)
Open Exoplanet Catalogue
NASA
Exoplanet.eu

JWST (Telescópio Espacial James Webb):
NASA
STScI
STScI (website para o público)
ESA
ESA/Webb
Wikipedia
Facebook
X/Twitter
Instagram
Blog do JWST (NASA)
Programas DD-ERS do Webb (STScI)
Ciclo 2 GO do Webb (STScI)
NIRISS (NASA)
NIRCam (NASA)
MIRI (NASA)
NIRSpec (NASA)

Telescópio Espacial Spitzer:
Caltech
NASA
Centro Científico Spitzer 
Wikipedia