Telescópio Espacial James Webb revela uma atmosfera de exoplaneta como nunca visto antes

Novas observações do WASP-39b com o JWST forneceram uma imagem mais clara do exoplaneta, mostrando a presença de sódio, potássio, água, dióxido de carbono, monóxido de carbono e dióxido de enxofre na atmosfera do planeta. A ilustração deste artista também exibe manchas recém-detectadas de nuvens espalhadas pelo planeta. Crédito: Melissa Weiss/Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) acaba de marcar outra estreia: um retrato molecular e químico detalhado dos céus de um mundo distante.

O conjunto de instrumentos altamente sensíveis do telescópio foi treinado na atmosfera de um “Saturno quente” – um planeta tão massivo quanto Saturno orbitando uma estrela a cerca de 700 anos-luz de distância – conhecido como WASP-39 b. Embora o JWST e outros telescópios espaciais, incluindo o Hubble e o Spitzer, tenham revelado anteriormente ingredientes isolados da atmosfera deste planeta escaldante, as novas leituras fornecem um menu completo de átomos, moléculas e até sinais de química ativa e nuvens.

“A clareza dos sinais de várias moléculas diferentes nos dados é notável”, diz Mercedes López-Morales, astrônoma do Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian e um dos cientistas que contribuíram para os novos resultados.

“Tínhamos previsto que veríamos muitos desses sinais, mas ainda assim, quando vi os dados pela primeira vez, fiquei maravilhado”, acrescenta López-Morales.

Os dados mais recentes também dão uma dica de como essas nuvens em exoplanetas podem parecer de perto: quebradas em vez de um único cobertor uniforme sobre o planeta.

A composição atmosférica do exoplaneta gigante gasoso quente WASP-39 b foi revelada pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA. Este gráfico mostra quatro espectros de transmissão de três instrumentos da Webb operados em quatro modos de instrumento. Todos são plotados em uma escala comum que se estende de 0,5 a 5,5 mícrons. Um espectro de transmissão é feito comparando a luz estelar filtrada através da atmosfera de um planeta à medida que se move na frente da estrela, com a luz estelar não filtrada detectada quando o planeta está ao lado da estrela. Cada um dos pontos de dados (círculos brancos) nesses gráficos representa a quantidade de um comprimento de onda específico de luz que é bloqueado pelo planeta e absorvido por 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 de melhor ajuste que leva em consideração os dados, as propriedades conhecidas de WASP-39 b e sua estrela (por exemplo, tamanho, massa, temperatura) e características assumidas da atmosfera. Os pesquisadores 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 ajuste melhor e entender melhor como é realmente a atmosfera. 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. No canto inferior esquerdo, os dados do NIRSpec indicam água, dióxido de enxofre (SO2), dióxido de carbono (CO2) e monóxido de carbono (CO). No canto inferior direito, dados adicionais do NIRSpec revelam todas essas moléculas, bem como sódio (Na). Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

As descobertas são um bom presságio para a capacidade do JWST de conduzir a ampla gama de investigações em exoplanetas – planetas ao redor de outras estrelas – que os cientistas esperavam. Isso inclui sondar as atmosferas de planetas rochosos menores como os do sistema TRAPPIST-1.

“Observamos o exoplaneta com vários instrumentos que juntos fornecem uma ampla faixa do espectro infravermelho e uma panóplia de impressões digitais químicas inacessíveis até o JWST”, disse Natalie Batalha, astrônoma da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, que contribuiu e ajudou a coordenar a nova pesquisa. “Dados como esses são um divisor de águas.”

Astrônomos descobrem dióxido de enxofre em uma atmosfera de exoplaneta

O conjunto de descobertas é detalhado em um conjunto de cinco artigos científicos recém-submetidos, disponíveis no site de pré-impressão arXiv. Entre as revelações sem precedentes está a primeira detecção em uma atmosfera de exoplaneta de dióxido de enxofre, uma molécula produzida a partir de reações químicas desencadeadas por luz de alta energia da estrela-mãe do planeta. Na Terra, a camada protetora de ozônio na atmosfera superior é criada de maneira semelhante.

Esta imagem mostra a impressão de um artista do planeta WASP-39 b e sua estrela. O planeta tem uma atmosfera difusa laranja-azul com dicas de faixas longitudinais de nuvens abaixo. O quarto esquerdo do planeta (o lado voltado para a estrela) está iluminado, enquanto o resto está na sombra. A estrela é branco-amarelada brilhante, sem características claras. Crédito: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

“A surpreendente detecção de dióxido de enxofre finalmente confirma que a fotoquímica molda o clima de ‘saturnos quentes'”, diz Diana Powell, pesquisadora do Hubble da NASA, astrônoma do Centro de Astrofísica e membro central da equipe que fez a descoberta do dióxido de enxofre. “O clima da Terra também é moldado pela fotoquímica, então nosso planeta tem mais em comum com ‘saturnos quentes’ do que sabíamos anteriormente.”

Jea Adams, estudante de pós-graduação em Harvard e pesquisadora do Centro de Astrofísica, analisou os dados que confirmaram o sinal de dióxido de enxofre.

O Telescópio Espacial James Webb da NASA fez a primeira identificação de dióxido de enxofre na atmosfera de um exoplaneta. Sua presença só pode ser explicada pela fotoquímica – reações químicas desencadeadas por partículas de alta energia da luz das estrelas. A fotoquímica é essencial para processos na Terra fundamentais para a vida, como a fotossíntese e a geração de nossa camada de ozônio. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Robert Hurt; Centro de Astrofísica-Harvard & Smithsonian/Melissa Weiss

“Como pesquisador em início de carreira no campo de atmosferas de exoplanetas, é muito emocionante fazer parte de uma detecção como essa”, diz Adams. “O processo de análise desses dados pareceu mágico. Vimos dicas desse recurso nos dados iniciais, mas esse instrumento de maior precisão revelou a assinatura do SO2 claramente e nos ajudou a resolver o quebra-cabeça”.

A uma temperatura estimada de 1.600 graus Fahrenheit e uma atmosfera feita principalmente de hidrogênio, acredita-se que o WASP-39 b não seja habitável. O exoplaneta foi comparado a Saturno e Júpiter, com uma massa semelhante a Saturno, mas um tamanho geral tão grande quanto Júpiter. Mas o novo trabalho aponta o caminho para encontrar evidências de vida potencial em um planeta habitável.

A proximidade do planeta com sua estrela hospedeira – oito vezes mais perto do que Mercúrio está do nosso sol – também o torna um laboratório para estudar os efeitos da radiação de estrelas hospedeiras em exoplanetas. Um melhor conhecimento da conexão estrela-planeta deve trazer uma compreensão mais profunda de como esses processos criam a diversidade de planetas observados na galáxia.

Outros constituintes atmosféricos detectados pelo JWST incluem sódio, potássio e vapor de água, confirmando observações anteriores de telescópios espaciais e terrestres, além de encontrar recursos de água adicionais, em comprimentos de onda mais longos, que não foram vistos antes.

O JWST também viu o dióxido de carbono em maior resolução, fornecendo o dobro de dados relatados em suas observações anteriores. Enquanto isso, monóxido de carbono foi detectado, mas assinaturas óbvias de metano e sulfeto de hidrogênio estavam ausentes dos dados. Se presentes, essas moléculas ocorrem em níveis muito baixos, uma descoberta significativa para os cientistas que fazem inventários da química dos exoplanetas para entender melhor a formação e o desenvolvimento desses mundos distantes.

Capturar um espectro tão amplo da atmosfera do WASP-39 b foi um tour de force científico, pois uma equipe internacional numerando centenas de dados analisados independentemente de quatro dos modos de instrumentos finamente calibrados do JWST. Eles então fizeram comparações detalhadas de suas descobertas, produzindo resultados ainda mais cientificamente matizados.

O JWST vê o universo em luz infravermelha, na extremidade vermelha do espectro de luz além do que os olhos humanos podem ver; que permite ao telescópio captar impressões digitais químicas que não podem ser detectadas na luz visível.

Cada um dos três instrumentos ainda tem alguma versão do “IR” do infravermelho em seu nome: NIRSpec, NIRCam e NIRISS.

Para ver a luz do WASP-39 b, o JWST rastreou o planeta enquanto passava na frente de sua estrela, permitindo que parte da luz da estrela fosse filtrada pela atmosfera do planeta. Diferentes tipos de produtos químicos na atmosfera absorvem diferentes cores do espectro da luz das estrelas, de modo que as cores que estão faltando informam aos astrônomos quais moléculas estão presentes.

Ao analisar com tanta precisão a atmosfera de um exoplaneta, os instrumentos JWST tiveram um desempenho muito além das expectativas dos cientistas – e prometem uma nova fase de exploração entre a ampla variedade de exoplanetas da galáxia.

López-Morales diz: “Estou ansioso para ver o que encontramos nas atmosferas de pequenos planetas terrestres”.

Publicado em 27/11/2022 22h59

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