Os astrônomos do MIT obtiveram a visão mais clara até agora do lado escuro perpétuo de um exoplaneta que está “travado por maré” em sua estrela. Suas observações, combinadas com medições do lado diurno permanente do planeta, fornecem a primeira visão detalhada da atmosfera global de um exoplaneta.
“Agora estamos indo além de tirar instantâneos isolados de regiões específicas de atmosferas de exoplanetas, para estudá-los como os sistemas 3D que realmente são”, diz Thomas Mikal-Evans, que liderou o estudo como pós-doutorado no Instituto Kavli de Astrofísica e Espaço do MIT. Pesquisa.
O planeta no centro do novo estudo, que aparece na Nature Astronomy, é WASP-121b, um enorme gigante gasoso com quase o dobro do tamanho de Júpiter. O planeta é um Júpiter ultraquente e foi descoberto em 2015 orbitando uma estrela a cerca de 850 anos-luz da Terra. O WASP-121b tem uma das órbitas mais curtas detectadas até hoje, circundando sua estrela em apenas 30 horas. Também é travado por maré, de modo que seu lado “dia” voltado para a estrela está permanentemente assando, enquanto seu lado “noturno” está voltado para sempre em direção ao espaço.
“Os Júpiteres quentes são famosos por terem lados diurnos muito brilhantes, mas o lado noturno é uma fera diferente.
Os astrônomos já haviam detectado vapor de água e estudado como a temperatura atmosférica muda com a altitude no lado diurno do planeta.
O novo estudo captura uma imagem muito mais detalhada. Os pesquisadores conseguiram mapear as dramáticas mudanças de temperatura do dia para a noite e ver como essas temperaturas mudam com a altitude. Eles também rastrearam a presença de água na atmosfera para mostrar, pela primeira vez, como a água circula entre os lados diurno e noturno de um planeta.
Enquanto na Terra, os ciclos da água primeiro evaporam, depois condensam em nuvens e depois chovem, no WASP-121b, o ciclo da água é muito mais intenso: no lado do dia, os átomos que compõem a água são dilacerados em temperaturas acima de 3.000 Kelvin. Esses átomos são soprados para o lado noturno, onde temperaturas mais frias permitem que os átomos de hidrogênio e oxigênio se recombinem em moléculas de água, que então sopram de volta para o lado diurno, onde o ciclo recomeça.
A equipe calcula que o ciclo da água do planeta é sustentado por ventos que chicoteiam os átomos ao redor do planeta a velocidades de até 5 quilômetros por segundo, ou mais de 11.000 milhas por hora.
Parece também que a água não está sozinha na circulação ao redor do planeta. Os astrônomos descobriram que o lado noturno é frio o suficiente para abrigar nuvens exóticas de ferro e corindo – um mineral que compõe rubis e safiras. Essas nuvens, como o vapor de água, podem girar para o lado do dia, onde altas temperaturas vaporizam os metais em forma de gás. No caminho, chuvas exóticas podem ser produzidas, como gemas líquidas das nuvens de corindo.
“Com esta observação, estamos realmente obtendo uma visão global da meteorologia de um exoplaneta”, diz Mikal-Evans.
Os coautores do estudo incluem colaboradores do MIT, Johns Hopkins University, Caltech e outras instituições.
Dia e noite
A equipe observou o WASP-121b usando uma câmera espectroscópica a bordo do Telescópio Espacial Hubble da NASA. O instrumento observa a luz de um planeta e sua estrela, e divide essa luz em seus comprimentos de onda constituintes, cujas intensidades dão aos astrônomos pistas sobre a temperatura e composição de uma atmosfera.
Através de estudos espectroscópicos, os cientistas observaram detalhes atmosféricos nos lados diurnos de muitos exoplanetas. Mas fazer o mesmo para o lado noturno é muito mais complicado, pois exige observar pequenas mudanças em todo o espectro do planeta enquanto ele circula sua estrela.
Para o novo estudo, a equipe observou o WASP-121b em duas órbitas completas – uma em 2018 e outra em 2019. Para ambas as observações, os pesquisadores analisaram os dados de luz em busca de uma linha específica, ou característica espectral, que indicava a presença de vapor de água.
“Vimos essa característica da água e mapeamos como ela mudou em diferentes partes da órbita do planeta”, diz Mikal-Evans. “Isso codifica informações sobre o que a temperatura da atmosfera do planeta está fazendo em função da altitude.”
A mudança do recurso de água ajudou a equipe a mapear o perfil de temperatura do lado diurno e noturno. Eles descobriram que o lado diurno varia de 2.500 Kelvin em sua camada observável mais profunda, a 3.500 Kelvin em suas camadas superiores. O lado noturno variou de 1.800 Kelvin em sua camada mais profunda, a 1.500 Kelvin em sua atmosfera superior. Curiosamente, os perfis de temperatura pareciam inverter-se, subindo com a altitude no lado diurno – uma “inversão térmica”, em termos meteorológicos – e caindo com a altitude no lado noturno.
Os pesquisadores então passaram os mapas de temperatura por vários modelos para identificar substâncias químicas que provavelmente existem na atmosfera do planeta, dadas altitudes e temperaturas específicas. Essa modelagem revelou o potencial de nuvens de metal, como ferro, corindo e titânio no lado noturno.
A partir de seu mapeamento de temperatura, a equipe também observou que a região mais quente do planeta está deslocada para o leste da região “subestelar” diretamente abaixo da estrela. Eles deduziram que essa mudança é devido a ventos extremos.
“O gás é aquecido no ponto subestelar, mas está sendo soprado para o leste antes que possa reirradiar para o espaço”, explica Mikal-Evans.
A partir do tamanho da mudança, a equipe estima que a velocidade do vento seja de cerca de 5 quilômetros por segundo.
“Esses ventos são muito mais rápidos do que nossa corrente de jato e provavelmente podem mover nuvens por todo o planeta em cerca de 20 horas”, diz Daylan, que liderou trabalhos anteriores no planeta usando a missão liderada pelo MIT da NASA, TESS.
Os astrônomos reservaram tempo no Telescópio Espacial James Webb para observar o WASP-121b ainda este ano, e esperam mapear mudanças não apenas no vapor de água, mas também no monóxido de carbono, que os cientistas suspeitam que residam na atmosfera.
“Essa seria a primeira vez que poderíamos medir uma molécula portadora de carbono na atmosfera deste planeta”, diz Mikal-Evans. “A quantidade de carbono e oxigênio na atmosfera fornece pistas sobre onde esses tipos de planetas se formam.”
Publicado em 24/02/2022 10h13
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