Astrônomos usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) descobriram diferenças marcantes entre as regiões do amanhecer e do anoitecer do exoplaneta ultraquente WASP-121 b. Estas regiões fronteiriças, conhecidas como linhas claras e escuras, marcam a transição entre os lados permanentemente diurnos e permanentemente noturnos da Terra. As descobertas fornecem a evidência mais clara de que as duas regiões têm temperaturas e composições atmosféricas diferentes, confirmando previsões anteriores que existiam apenas em modelos teóricos.
A descoberta veio de medições da luz infravermelha das estrelas passando pela atmosfera do planeta enquanto WASP-121 b passava na frente de sua estrela hospedeira. Ao examinar como a atmosfera filtra a luz durante a transmissão, os pesquisadores descobriram padrões de absorção desiguais.
A equipe diz que esta assimetria é melhor explicada pelas diferenças de temperatura e composição química entre os lados matinal e noturno da Terra.
Cyril Gapp, do MPIA, disse: “Com a sua qualidade observacional sem precedentes, o JWST dá-nos a compreensão mais detalhada de um planeta distante até agora: medindo as mudanças na absorção de luz da estrela à medida que WASP-121 b gira, podemos sondar a sua longitude atmosférica numa base longitude-a-longitude.”
As observações mostram que o mundo claro-escuro noturno absorve mais luz do que o mundo claro-escuro matinal. Isto se enquadra no pensamento atual sobre os poderosos ventos atmosféricos que transportam o calor dos dias quentes para as noites mais frias. Como esses ventos se movem para leste na direção da rotação do planeta, eles aquecem as regiões noturnas com mais intensidade.
À medida que as temperaturas aumentam, a atmosfera se expande. Uma atmosfera maior tem uma seção transversal maior para a luz estelar que chega, permitindo-lhe absorver mais radiação.
Os dados coletados usando o instrumento NIRSpec (espectrômetro de infravermelho próximo) do JWST também mostraram um sinal mais forte de monóxido de carbono (CO) no final do trânsito. Os investigadores acreditam que esta mudança é causada por efeitos de temperatura e não por um aumento real na abundância de monóxido de carbono.
Água (H2O) conta uma história diferente. As observações mostram que o número de moléculas de água diminui nas regiões mais quentes da atmosfera. Os cientistas interpretam isto como uma diminuição literal da água, uma vez que a atmosfera superior é quente o suficiente para quebrar as moléculas de água nos seus elementos componentes. A descoberta fornece evidências adicionais de que os ventos quentes estão aquecendo o terminador noturno.
Um planeta com dia e noite eternos
A detecção de diferenças atmosféricas tão sutis requer a exploração de características comuns dos gigantes gasosos em órbita próxima.
Com o tempo, as forças das marés sincronizam a rotação do planeta com a sua órbita, fazendo com que o planeta gire uma vez no mesmo período de tempo que leva para orbitar a sua estrela. Como resultado, um hemisfério está sempre voltado para a estrela, enquanto o outro hemisfério está sempre na escuridão.
“WASP-121b é particularmente extremo, com temperaturas médias no hemisfério diurno de cerca de 2.770 Kelvin e nos hemisférios noturnos de quase 1.000 Kelvin”, explica o co-autor Tom Evans-Soma, da Universidade de Newcastle, na Austrália. Ele determinou anteriormente a faixa de temperatura da Terra e também é afiliado ao MPIA.
Estas temperaturas correspondem a quase 2.500 graus Celsius (4.525 graus Fahrenheit) durante o dia e cerca de 725 graus Celsius (1.340 graus Fahrenheit) à noite.
À medida que um planeta passa pela sua estrela, ele gira ligeiramente entre o início e o fim do evento. Esta pequena rotação permite aos astrónomos observar diferentes partes da atmosfera. Embora grande parte do lado noturno ainda seja visível, os cientistas também podem vislumbrar partes das regiões do amanhecer e do anoitecer e, dependendo da fase do trânsito, até mesmo pequenas áreas mais próximas do lado diurno escaldante.
O lado dianteiro da pista corresponde ao limite claro-escuro da manhã, enquanto o lado posterior corresponde ao limite claro-escuro da noite.
Converta tempos de trânsito em mapas atmosféricos
Para estudar a atmosfera, os pesquisadores analisaram as mudanças no brilho do planeta durante os trânsitos. Eles também examinaram espectros, que são produzidos quando a luz é dividida em seus comprimentos de onda componentes, da mesma forma que um prisma cria um arco-íris.
Diferentes gases absorvem comprimentos de onda específicos de luz, permitindo aos cientistas identificar os produtos químicos presentes na atmosfera.
Como o planeta gira à medida que passa pela superfície da estrela, as mudanças no sinal ao longo do tempo correspondem a diferentes longitudes do planeta. Durante um trânsito completo, o WASP-121 b gira aproximadamente 30 graus, o suficiente para distinguir os terminadores da manhã (amanhecer) e da noite (crepúsculo) com uma precisão surpreendente.
Os astrónomos combinam frequentemente todas as medições de trânsito num sinal médio para melhorar a clareza. No entanto, neste estudo, Gapp e seus colegas permitiram que o sinal mudasse ao longo do tempo à medida que o planeta girava. A análise estatística mostra que este método concorda significativamente melhor com as observações, fornecendo fortes evidências da autenticidade das diferenças atmosféricas.
A nuvem pode estar faltando no modelo atual
Para compreender as observações, os investigadores realizaram simulações computacionais do transporte de calor nas atmosferas superiores de planetas gigantes gasosos. Estes modelos reproduzem com sucesso as assimetrias gerais causadas pelas diferenças de temperatura, mas os efeitos observados são mais fortes do que o previsto.
Esta diferença sugere que outros processos podem estar afetando a atmosfera.
Uma possibilidade é que os terminadores matinais experimentem um resfriamento adicional que os modelos atuais não conseguem capturar. Pesquisas anteriores sugeriram a presença de nuvens nessas áreas. Ao contrário das nuvens da Terra, elas podem ser compostas de minerais como silicatos, em vez de gotículas de água.
Estas nuvens podem bloquear a radiação infravermelha das camadas mais quentes abaixo, fazendo com que a atmosfera pareça mais fria do que realmente é.
Modelar a formação de nuvens, condensação e evaporação em ambientes em rápida mudança continua extremamente difícil. Como resultado, muitos modelos de atmosfera de exoplanetas, incluindo o utilizado neste estudo, não incorporam totalmente a física das nuvens.
Quando a equipe modificou as simulações para aproximar os efeitos das nuvens, os resultados foram mais consistentes com as observações. Mesmo assim, é necessária uma modelagem mais avançada antes que os pesquisadores possam confirmar com segurança a presença de nuvens no WASP-121 b.
Nova maneira de estudar exoplanetas extremos
Melhorias futuras nos modelos atmosféricos podem tornar esta técnica ainda mais poderosa.
Os pesquisadores identificaram outros gigantes gasosos ultraquentes com temperaturas e taxas de rotação adequadas para estudos semelhantes. Ao aplicar o mesmo método a uma amostra maior de planetas, os astrónomos esperam comparar como as condições atmosféricas mudam em mundos diferentes e obter uma compreensão mais profunda da sua estrutura tridimensional.
Informações adicionais
Os astrónomos do MPIA envolvidos no estudo incluem Cyril Gapp (também da Universidade de Heidelberg), Thomas M. Evans-Soma (também da Universidade de Newcastle, Austrália) e Eva-Maria Ahrer.
Outros pesquisadores incluem: Aurélien Falco (Universidade Sorbonne, Paris, França), David K. Sing (Universidade Johns Hopkins, Baltimore, EUA), Shashank Dholakia (Universidade de Queensland, Santa Lúcia, Austrália), Vivien Parmentier (Universidade de Nice Côte d’Azur, França), Jérémy Leconte (Universidade de Bordeaux, França) e Guangwei Fu (Universidade Johns Hopkins).
As observações JWST usadas neste estudo foram feitas como parte do Projeto GO #1729 (PI: Thomas Evans-Soma, co-PI: Tiffany Kataria) intitulado “NIRSpec Phase Curves for Ultrahot Jupiter WASP-121b” e Projeto GTO #1201 (PI: NIRISS Exploration of Transiting Exoplanet Atmosphere Diversity (NEAT)).
O NIRSpec (Espectrômetro de Infravermelho Próximo) foi construído pela indústria europeia de acordo com as especificações da Agência Espacial Europeia (ESA) e é gerenciado pelo projeto JWST da ESA no ESTEC (Centro Europeu de Pesquisa e Tecnologia Espacial) na Holanda. O contratante principal é a Airbus Defence and Space em Ottobrunn, Alemanha. MPIA contribui para o desenvolvimento e fabricação de filtros e rodas de grade NIRSpec. O detector NIRSpec e o subsistema de matriz de microobturadores são fornecidos pelo Goddard Space Flight Center (GSFC) da NASA.
O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório de pesquisa espacial do mundo. Este é um projeto internacional liderado pela NASA e pelos seus parceiros ESA e CSA (Agência Espacial Canadense).
