Uma equipe de astrônomos liderada por Carnegie descobriu a evidência mais clara até agora de que um planeta rochoso fora do nosso sistema solar tem uma atmosfera. Pesquisadores usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA descobriram sinais de gás ao redor de um alvo incomum: uma super-Terra antiga e extremamente quente, cuja superfície pode estar coberta por rocha derretida. Os resultados da pesquisa foram publicados em Comunicações do Jornal Astrofísico.
O planeta, conhecido como TOI-561 b, tem cerca de duas vezes a massa da Terra, mas é distinto em quase todos os outros aspectos. Ele orbita muito perto de sua estrela, apenas um quadragésimo da distância do Sol que Mercúrio está. Embora a sua estrela seja ligeiramente menor e mais fria que o Sol, a órbita estreita do planeta significa que completa um ano completo em apenas 10,56 horas. Um lado está sempre voltado para a estrela, mantendo-a sempre à luz do dia.
“Com base no que sabemos sobre outros sistemas, os astrónomos preveriam que um planeta como este seria demasiado pequeno e demasiado quente para reter a sua própria atmosfera muito depois da formação,” explicou Nicole Wallack, segunda autora do artigo e pós-doutoranda na Carnegie Science. “Mas as nossas observações mostram que está rodeado por uma camada relativamente espessa de gás, derrubando as ideias convencionais sobre planetas de período ultracurto.”
No nosso sistema solar, planetas pequenos e extremamente quentes tendem a perder os seus invólucros de gás originais no início da sua história. No entanto, TOI-561 b orbita uma estrela muito mais antiga que o Sol e parece ter mantido a sua atmosfera apesar do seu ambiente hostil.
Pistas de baixa densidade apontam para ingredientes incomuns
A presença de uma atmosfera pode ajudar a explicar outro mistério: o planeta é menos denso do que o esperado.
“Isto não é o que chamaríamos de planeta superinflado, ou de ‘marshmallow’, mas é menos denso do que se poderia pensar se tivesse uma composição semelhante à da Terra”, disse a principal autora do estudo, Johanna Teske, astrônoma científica da Carnegie.
Antes de analisar os novos dados, a equipa considerou se a estrutura do planeta por si só poderia explicar isto. Uma ideia é que TOI-561 b possa ter um núcleo de ferro menor e um manto feito de rocha mais leve em comparação com a Terra.
Teske acrescentou que esta ideia é consistente com a origem do planeta: “TOI-561 b é incomum entre os planetas de período ultracurto, pois orbita uma estrela muito antiga (duas vezes o tamanho do Sol) pobre em ferro, localizada na região do disco espesso da Via Láctea. Deve ter-se formado num ambiente químico muito diferente dos planetas do nosso sistema solar.”
Isto sugere que o planeta pode ser semelhante aos mundos que se formaram quando o universo era jovem. Ainda assim, a composição por si só não pode explicar completamente as observações.
Dados de temperatura do JWST revelam atmosfera oculta
A equipa de investigação também propôs que uma atmosfera espessa faria o planeta parecer maior e, portanto, menos denso. Para estudar isso, eles usaram o espectrômetro de infravermelho próximo (NIRSpec) do JWST para medir a temperatura diurna do planeta observando o brilho da luz infravermelha próxima. Este método monitoriza como a luz do sistema muda à medida que o planeta se move atrás da estrela, uma técnica também utilizada para estudar os planetas do sistema TRAPPIST-1.
Se o TOI-561 b não tivesse atmosfera, as suas temperaturas diurnas atingiriam quase 4.900 graus Fahrenheit (2.700 graus Celsius). Em vez disso, as medições mostraram uma temperatura mais baixa, cerca de 3.200 graus Fahrenheit (1.800 graus Celsius). Embora ainda muito quente, esta diferença sugere fortemente que o calor está a ser redistribuído globalmente.
Vento, nuvens e atmosfera rica e instável
Para explicar as temperaturas mais baixas, os cientistas exploraram diversas possibilidades. A superfície de um oceano derretido poderia transferir algum calor, mas sem atmosfera, o lado escuro provavelmente permaneceria sólido, limitando a transferência de calor. Uma fina camada de rocha evaporativa também pode estar presente, embora isso por si só não proporcione resfriamento suficiente.
“Precisamos realmente de uma atmosfera densa e rica em voláteis para explicar todas as observações”, disse a coautora Anjali Piette, da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, e ex-bolsista de pós-doutorado na Carnegie School of Science. “Os ventos fortes transportam o calor para a noite, arrefecendo assim as temperaturas diurnas. Gases como o vapor de água absorvem certos comprimentos de onda da luz infravermelha emitida pela superfície antes de passarem pela atmosfera. (Como os telescópios detectam menos luz, o planeta parecerá mais frio.) Também pode haver nuvens brilhantes de silicato que arrefecem a atmosfera ao reflectir a luz das estrelas.”
Embora as evidências apontem fortemente para a existência de uma atmosfera, elas levantam uma questão importante. Como poderia um planeta exposto a uma radiação tão intensa reter gás? Algum material pode escapar para o espaço, mas provavelmente não tão rapidamente quanto o esperado.
‘Bolas de lava úmida’ com atmosfera reciclada
Uma explicação é o equilíbrio entre o interior derretido do planeta e a sua atmosfera.
“Achamos que existe um equilíbrio entre o oceano de magma e a atmosfera. À medida que os gases fluem para fora da Terra e para a atmosfera, o oceano de magma os suga de volta para o interior, “disse o co-autor Tim Lichtenberg, da Universidade de Groningen, na Holanda e membro do grupo de projeto Atmospheric Empirical Theoretical and Experimental Research (AEThER) liderado por Carnegie. “O planeta deve ser muito mais volátil do que a Terra para explicar estas observações. É realmente como uma bola de lava húmida.”
Teske enfatizou que esta descoberta levanta tantas questões quanto responde: “O que é realmente emocionante é que este novo conjunto de dados levanta mais questões do que respostas”.
As observações do JWST levantam novas questões sobre exoplanetas
Os resultados vêm do Projeto Observador Ordinário 3860 do JWST, que monitorou o sistema por mais de 37 horas enquanto o planeta completava quase quatro órbitas. Os investigadores estão agora a analisar o conjunto completo de dados para mapear os padrões de temperatura em todo o planeta e compreender melhor a sua composição atmosférica.
Este trabalho dá continuidade à longa tradição de colaboração da Carnegie Science com o JWST, que remonta ao desenvolvimento inicial do telescópio e se estende por vários ciclos de observação. Desde que o JWST iniciou as operações científicas, os pesquisadores da Carnegie lideraram muitas equipes que estudam exoplanetas, galáxias e outros fenômenos cósmicos.
“Estas descobertas impulsionadas pelo JWST aproveitam diretamente a nossa vantagem de longa data na compreensão de como a evolução e a dinâmica planetária moldam as características dos exoplanetas”, disse Michael Walter, diretor do Laboratório da Terra e dos Planetas. “Resultados mais emocionantes estão no horizonte e estamos prontos para inaugurar uma nova onda de ciência JWST liderada por Carnegie no próximo ano.”
