Astrônomos da Universidade de Genebra (UNIGE), do Centro Nacional de Competência para Pesquisa Planetária e do Instituto Trotier para Exoplanetas (IREx) da Universidade de Montreal (UdeM) alcançaram um grande avanço usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST). Pela primeira vez, os investigadores rastrearam continuamente o gás que escapa da atmosfera de um exoplaneta e segue a sua órbita completa em torno da sua estrela.
As observações revelaram um resultado inesperado e dramático. O gigante gasoso WASP-121b está rodeado não por um, mas por dois enormes fluxos de hélio que abrangem mais de metade da sua órbita. Quando combinados com modelos computacionais avançados desenvolvidos na UNIGE, estes dados fornecem a visão mais detalhada da fuga atmosférica, um processo poderoso que pode remodelar planetas durante longos períodos de tempo. Os resultados da pesquisa foram publicados em comunicações da natureza.
Júpiter ultraquente sob condições extremas
WASP-121b pertence a uma classe de planetas conhecidos como Júpiteres ultraquentes. Esses gigantes gasosos orbitam tão perto de suas estrelas que WASP-121b completa uma revolução completa em apenas 30 horas. Devido à sua proximidade, a radiação intensa da estrela aquece a atmosfera do planeta a milhares de graus.
A temperaturas tão extremas, elementos leves como o hidrogénio e o hélio podem separar-se e flutuar para o espaço. A perda contínua de material atmosférico ao longo de milhões de anos poderá alterar significativamente o tamanho, a composição e a evolução da Terra a longo prazo.
Por que a observação contínua é importante
Até agora, os astrónomos só conseguiram estudar a fuga atmosférica durante breves trânsitos planetários – os breves momentos em que um planeta passa em frente da sua estrela da perspectiva da Terra. Esses instantâneos duram apenas algumas horas e fornecem informações limitadas.
Sem monitorização constante, os cientistas não podem determinar até que ponto o gás que escapou se estendeu ou como a sua estrutura mudou ao longo do tempo.
Faixa completa rastreada por James Webb
A equipe observou WASP-121b continuamente por quase 37 horas usando o espectrorradiômetro de infravermelho próximo (NIRISS) no Telescópio Espacial James Webb. Esta janela cobre mais de uma órbita completa, tornando-se a mais extensa detecção contínua de hélio em torno de um planeta já realizada.
Esta observação de longo prazo permite aos cientistas rastrear fugas atmosféricas com detalhes e precisão incomparáveis.
Descobertas duas caudas gigantes de hélio
Ao medir como o hélio absorve a luz infravermelha, os investigadores descobriram que o gás que rodeia o WASP-121b se estende muito além do próprio planeta. O sinal de hélio permanece visível durante mais de metade da órbita do planeta, marcando a mais longa observação contínua de fuga atmosférica até à data.
Ainda mais surpreendente é que o hélio não forma um único fluxo. Em vez disso, ele se divide em duas caudas distintas. Um deles segue atrás do planeta, afastado pela radiação e pelos ventos da estrela. Outras curvas ficam na frente do planeta, possivelmente puxadas pela gravidade da estrela. Combinados, estes fluxos estendem-se por uma distância superior a 100 vezes o diâmetro do planeta, ou mais de três vezes a distância entre o planeta e a sua estrela.
“Ficámos muito surpreendidos com a duração da fuga do hélio”, explica Romain Allart, investigador de pós-doutoramento na Universidade de Montreal e antigo estudante de doutoramento na Universidade de Genebra e autor principal do artigo. “Esta descoberta revela a complexidade dos processos físicos que moldam as atmosferas dos exoplanetas e as suas interações com os ambientes estelares. Estamos apenas começando a descobrir a verdadeira complexidade destes mundos.”
Modelando as limitações da teoria atual
O Departamento de Astronomia da Universidade de Genebra (UNIGE) é há muito tempo líder na investigação de fugas atmosféricas. Os modelos numéricos desenvolvidos lá desempenharam um papel fundamental na explicação da primeira detecção de hélio pelo JWST.
Embora estes modelos descrevam com sucesso caudas de gás simples semelhantes a cometas, eles têm dificuldade em reconstruir a estrutura de cauda dupla observada em torno de WASP-121b. “Esta descoberta mostra que a estrutura destes fluxos é causada tanto pela gravidade como pelos ventos estelares, tornando uma nova geração de simulações 3D crucial para a análise da sua física,” explica Yann Carteret, estudante de doutoramento no Departamento de Astronomia da Faculdade de Ciências da UNIGE e co-autor do estudo.
O que vem a seguir para a pesquisa de exoplanetas?
O hélio tornou-se uma das ferramentas mais eficazes para rastrear fugas atmosféricas, e a sensibilidade do JWST permite agora aos cientistas detectá-lo a distâncias e intervalos de tempo sem precedentes. Observações futuras ajudarão a determinar se a estrutura de cauda dupla em torno de WASP-121b é rara ou comum entre exoplanetas quentes.
Os investigadores também precisam de refinar os seus modelos teóricos para explicar melhor como a gravidade, a radiação e os ventos estelares interagem para moldar estas atmosferas escapadas.
“Muitas vezes, novas observações revelam as limitações dos nossos modelos numéricos e levam-nos a explorar novos mecanismos físicos para compreender melhor estes mundos distantes,” conclui Vincent Bourrier, professor e investigador do Departamento de Astronomia da Faculdade de Ciências da Universidade de Genebra e co-autor do estudo.
