Uma equipa internacional de investigadores descobriu que as variações de brilho anteriormente observadas num objeto flutuante de massa planetária, conhecido como SIMP 0136, devem ser o resultado de uma combinação complexa de factores atmosféricos e não podem ser explicadas apenas pelas nuvens.

Utilizando o Telescópio Espacial James Webb da NASA para monitorizar um largo espetro de luz infravermelha emitida durante duas rotações completas de SIMP 0136, a equipa conseguiu detetar variações nas camadas de nuvens, na temperatura e na química do carbono que anteriormente não eram visíveis.

Os resultados fornecem uma visão crucial sobre a complexidade tridimensional das atmosferas dos gigantes gasosos dentro e fora do nosso Sistema Solar. A caracterização detalhada de objetos como estes é uma preparação essencial para a obtenção de imagens diretas de exoplanetas, planetas para lá do nosso Sistema Solar, com o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, que deverá começar operações em 2027.

Flutuante e com rotação rápida

SIMP 0136 é um objeto flutuante e de rotação rápida com cerca de 13 vezes a massa de Júpiter, localizado na Via Láctea a apenas 20 anos-luz da Terra. Embora não esteja classificado como um exoplaneta gigante gasoso - não orbita uma estrela e pode ser uma anã castanha - SIMP 0136 é um alvo ideal para a exometeorologia: é o objeto mais brilhante do seu tipo no céu do hemisfério norte. Por estar isolado, pode ser observado sem receio de contaminação luminosa ou variabilidade causada por uma estrela hospedeira. E o seu curto período de rotação, de apenas 2,4 horas, torna possível uma observação muito eficiente.

Antes das observações do Webb, SIMP 0136 tinha sido estudado extensivamente usando observatórios terrestres e os telescópios espaciais Hubble e Spitzer da NASA.

"Já sabíamos que o brilho varia e estávamos confiantes de que existem camadas de nuvens irregulares que entram e saem de vista e evoluem ao longo do tempo", explicou Allison McCarthy, estudante de doutoramento na Universidade de Boston e principal autora de um estudo publicado na revista The Astrophysical Journal Letters. "Também pensámos que podiam existir variações de temperatura, reações químicas e possivelmente alguns efeitos de atividade auroral que afetam o brilho, mas não tínhamos a certeza".

Para o descobrir, a equipa precisou da capacidade do Webb para medir mudanças muito precisas no brilho numa vasta gama de comprimentos de onda.

Registando milhares de arco-íris infravermelhos

Utilizando o NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), o Webb captou milhares de espetros individuais de 0,6 a 5,3 micrómetros - um a cada 1,8 segundos, durante mais de três horas, enquanto o objeto completava uma rotação completa. Seguiu-se imediatamente uma observação com o MIRI (Mid-Infrared Instrument), que recolheu centenas de medições espetroscópicas de luz de 5 a 14 micrómetros - uma a cada 19,2 segundos, durante outra rotação.

O resultado foram centenas de curvas de luz detalhadas, cada uma mostrando a mudança de brilho de um comprimento de onda (cor) muito preciso à medida que diferentes lados do objeto giravam para se tornarem visíveis.

"Ver o espetro completo deste objeto mudar ao longo de minutos foi incrível", disse a investigadora principal Johanna Vos, do Trinity College de Dublin. "Até agora, só tínhamos uma pequena fatia do espetro no infravermelho próximo pelo Hubble e algumas medições de brilho pelo Spitzer".

A equipa reparou quase imediatamente que haviam várias formas distintas de curvas de luz. Em qualquer altura, alguns comprimentos de onda estavam a ficar mais brilhantes, enquanto outros estavam a ficar mais ténues ou não mudavam muito. Há uma série de factores diferentes que devem estar a afetar as variações de brilho.

"Imaginemo-nos a observar a Terra de longe. Se olhássemos para cada cor separadamente, veríamos padrões diferentes que nos diriam algo sobre a sua superfície e atmosfera, mesmo que não conseguíssemos distinguir as características individuais", explicou o coautor Philip Muirhead, também da Universidade de Boston. "O azul aumentaria à medida que os oceanos se tornassem visíveis. As mudanças no castanho e no verde dir-nos-iam algo sobre o solo e sobre a vegetação".

Estas curvas de luz mostram a mudança de brilho de três conjuntos diferentes de comprimentos de onda (cores) no infravermelho próximo, provenientes do objeto isolado de massa planetária SIMP 0136, à medida que este gira. A luz foi captada pelo espetrógrafo NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) do Webb, que recolheu um total de 5726 espetros - um a cada 1,8 segundos - ao longo de cerca de 3 horas no dia 23 de julho de 2023. Pensa-se que as variações de brilho estejam relacionadas com diferentes características atmosféricas - nuvens profundas compostas por partículas de ferro, nuvens mais altas compostas por pequenos grãos de minerais de silicato e manchas quentes e frias a grande altitude - que giravam para dentro e fora de vista. O diagrama à direita ilustra a possível estrutura da atmosfera de SIMP 0136, com as setas coloridas representando os mesmos comprimentos de onda da luz vistos nas curvas de luz. As setas grossas representam mais luz (mais brilhante); as setas finas representam menos luz (mais fraca). Crédito: NASA, ESA, CSA e Joseph Olmsted (STScI)

Nuvens irregulares, manchas quentes e química do carbono

Para descobrir o que poderia estar a causar a variabilidade de SIMP 0136, a equipa utilizou modelos atmosféricos para mostrar em que parte da atmosfera cada comprimento de onda da luz era originário.

"Diferentes comprimentos de onda fornecem informação sobre diferentes profundidades na atmosfera", explicou McCarthy. "Começámos a perceber que os comprimentos de onda que tinham as formas de curva de luz mais semelhantes também sondavam as mesmas profundidades, o que reforçou a ideia de que deviam ser causados pelo mesmo mecanismo".

Um grupo de comprimentos de onda, por exemplo, tem origem nas profundezas da atmosfera, onde podem existir nuvens irregulares feitas de partículas de ferro. Um segundo grupo provém de nuvens mais altas que se pensa serem constituídas por pequenos grãos de minerais de silicato. As variações em ambas as curvas de luz estão relacionadas com a irregularidade das camadas de nuvens.

Um terceiro grupo de comprimentos de onda tem origem a uma altitude muito elevada, muito acima das nuvens, e parece seguir a temperatura. As "manchas quentes" brilhantes podem estar relacionadas com auroras que foram previamente detetadas no rádio, ou com a afluência de gás quente de zonas mais profundas da atmosfera.

Algumas das curvas de luz não podem ser explicadas nem pelas nuvens nem pela temperatura, mas mostram variações relacionadas com a química do carbono atmosférico. Poderão existir bolsas de monóxido e dióxido de carbono que entram e saem de vista, ou reações químicas que alteram a atmosfera ao longo do tempo.

"Ainda não descobrimos a parte química do puzzle", disse Vos. "Mas estes resultados são realmente excitantes porque mostram-nos que as abundâncias de moléculas como o metano e o dióxido de carbono podem mudar de lugar para lugar e ao longo do tempo. Se estamos a olhar para um exoplaneta e só conseguimos obter uma medição, temos de ter em conta que essa medição pode não ser representativa de todo o planeta".

// NASA (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// Trinity College de Dublin (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)

Quer saber mais?

SIMP 0136:
Wikipedia

Anãs castanhas:
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Andy Lloyd's Dark Star Theory

Planeta errante (ou fugitivo, interestelar, flutuante):
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