Os astrónomos descobriram algo surpreendente num gigante gasoso distante: nuvens de água gelada. A descoberta, feita por uma equipa liderada por Elisabeth Matthews do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA), desafia muitos modelos existentes do comportamento das atmosferas de exoplanetas. O planeta, chamado Epsilon Indi Ab, é semelhante a Júpiter, mas a sua atmosfera parece ser mais complexa do que o esperado. Os métodos observacionais utilizados neste estudo também marcam um passo importante em direção ao objetivo de longo prazo de encontrar e estudar planetas semelhantes à Terra.
A busca por planetas além do nosso sistema solar vem se desenvolvendo há décadas. Os cientistas esperam eventualmente ser capazes de detectar sinais de vida em mundos distantes nas próximas décadas. Os primeiros esforços, de 1995 até cerca de 2022, concentraram-se na descoberta de novos exoplanetas. Os investigadores baseiam-se em técnicas indiretas para revelar a massa, o tamanho de um planeta e, por vezes, ambos.
O lançamento do Telescópio Espacial James Webb (JWST) em 2022 marca o início de uma nova fase. Pela primeira vez, os astrónomos podem estudar detalhadamente as atmosferas de muitos exoplanetas, obtendo informações sobre a sua composição e estrutura. Mesmo assim, esta fase ainda está a um passo da busca direta por vida, o que poderá exigir telescópios mais avançados no futuro.
A investigação mais recente leva estas tecnologias ainda mais longe, embora ainda não tenha visado planetas semelhantes à Terra. A autora principal do estudo, Elizabeth Matthews (Instituto Max Planck de Astronomia), explica: “O JWST finalmente nos permite estudar em detalhes planetas simulados em nosso sistema solar. Se fôssemos alienígenas, olhando para o Sol a alguns anos-luz de distância, o JWST é o primeiro telescópio que nos permitiria estudar Júpiter em detalhes. No entanto, para estudar a Terra em detalhes, precisaremos de telescópios mais avançados.”
Por que exoplanetas como Júpiter são tão difíceis de estudar
Apesar das capacidades do JWST, estudar planetas semelhantes a Júpiter continua difícil. A maioria dos gigantes gasosos observados até agora são muito mais quentes que Júpiter. Isso porque os métodos mais comuns de estudo de atmosferas de exoplanetas exigem que o planeta passe na frente de sua estrela da perspectiva da Terra. Os planetas que estão mais próximos da sua estrela têm maior probabilidade de estar alinhados desta forma, mas também são mais quentes.
Para contornar essa limitação, Matthews e sua equipe usaram uma abordagem diferente. O seu trabalho fornece uma das observações mais próximas de um verdadeiro análogo de Júpiter e revela uma característica inesperada.
Usando o instrumento de infravermelho médio MIRI do JWST, a equipe fotografou diretamente o Epsilon Indi Ab. O planeta orbita a estrela Epsilon Indi A na constelação do Indo (céu meridional). “O planeta é muito mais massivo que Júpiter – o novo estudo estima a sua massa em 7,6 vezes a de Júpiter – mas o seu diâmetro é aproximadamente o mesmo que o dos seus primos do sistema solar,” disse Bhavesh Rajpoot, um estudante de doutoramento do MPIA que trabalhou no estudo.
O gigante frio, o calor residual não se dissipou
Epsilon Indi Ab orbita cerca de quatro vezes mais longe de sua estrela do que Júpiter está do Sol. A sua estrela hospedeira é ligeiramente menor e mais fria que o Sol, o que torna o planeta relativamente frio. A temperatura de sua superfície é estimada entre 200 e 300 Kelvin (-70 e +20 graus Celsius).
Mesmo assim, o planeta ainda é mais quente que Júpiter, que tem cerca de 140 K. Os cientistas acreditam que esse calor extra vem do calor que sobrou da formação do planeta. Ao longo de bilhões de anos, espera-se que Epsilon Indi Ab esfrie, tornando-se eventualmente mais frio que Júpiter.
Para observar o planeta, os astrónomos usaram um coronógrafo no instrumento MIRI para bloquear a luz brilhante da estrela hospedeira. Isto permitiu-lhes detectar o brilho fraco do próprio planeta. Eles capturaram as imagens usando um filtro de 11,3 μm, que está fora do comprimento de onda associado à molécula de amônia NH3. Ao comparar estas observações com imagens anteriores tiradas em 2024 a 10,6 μm, a equipa conseguiu estimar o teor de amónia. (A propósito, a roda de filtros mecânicos que abriga o coronógrafo e o filtro na frente da câmera MIRI foram construídos no MPIA, uma das contribuições da Alemanha para o JWST.)
Evidência de nuvens de água gelada
Na atmosfera de Júpiter, o gás amônia e as nuvens de amônia dominam as camadas superiores visíveis. Com base em suas propriedades, espera-se que o Epsilon Indi Ab contenha quantidades significativas de gás amônia, mas nenhuma nuvem de amônia. Em vez disso, as observações mostraram menos amônia do que o previsto.
A explicação mais provável é a presença de nuvens espessas mas irregulares de água gelada, semelhantes às nuvens cirros no alto da atmosfera terrestre – uma complicação inesperada.
Os astrônomos normalmente interpretam os dados comparando as observações com modelos computacionais de atmosferas planetárias. No entanto, muitos modelos existentes não incluem nuvens porque são difíceis de simular. Esta descoberta destaca a necessidade de melhorar esses modelos. James Mang (Universidade do Texas em Austin), co-autor do estudo, observou: “Esta é uma grande questão e ilustra o tremendo progresso que fizemos com a ajuda do JWST. O que antes parecia impossível de detectar está agora ao nosso alcance, permitindo-nos detectar a estrutura destas atmosferas, incluindo a presença de nuvens. Isto revela uma nova camada de complexidade que os nossos modelos estão agora a começar a capturar, e abre a porta para uma descrição mais detalhada destes mundos frios e distantes.”
Telescópios para o futuro
Observações futuras poderão fornecer visões mais claras destas nuvens. O Telescópio Espacial Nancy Grace Rome da NASA, do qual a MPIA é parceira, deverá ser lançado em 2026-2027 e é adequado para a detecção direta de nuvens refletivas de gelo de água.
Enquanto isso, Matthews e seus colegas estão buscando tempo adicional de observação do JWST para estudar planetas mais frios como Júpiter. À medida que os investigadores continuam a aperfeiçoar as suas técnicas, estão a lançar as bases para estudos futuros de mundos semelhantes à Terra e, em última análise, para a procura de sinais de vida para além do nosso sistema solar.
Informações básicas
Os resultados descritos aqui foram publicados como EC Matthews et al., “Segunda visita ao Eps Ind Ab com JWST: novas medições fotométricas confirmam amônia e indicam a presença de nuvens espessas nas atmosferas de exoplanetas dos super-Júpiter mais próximos”, Cartas de diários astrofísicos.
Os pesquisadores participantes do MPIA incluem Elisabeth Matthews e Bhavesh Rajpoot, trabalhando com James Mang e Caroline Morley (Universidade do Texas em Austin), Aarynn Carter e Mathilde Mâlin (Space Telescope Science Institute), e outros.
