Astrônomos usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) descobriram diferenças marcantes entre as regiões do amanhecer e do anoitecer do exoplaneta superquente WASP-121 b. Estas zonas limite, conhecidas como terminadores, marcam a transição entre o lado diurno permanente e o lado noturno permanente do planeta. As descobertas ainda fornecem evidências claras de que as duas regiões têm temperaturas e composições atmosféricas diferentes, confirmando previsões que antes 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. Examinando como a atmosfera filtrava essa luz durante o trânsito, os pesquisadores encontraram um padrão irregular de absorção.
Segundo a equipe, a assimetria é melhor explicada pelas diferenças de temperatura e química entre os lados matinal e noturno do planeta.
“Com a sua qualidade observacional sem precedentes, o JWST dá-nos a visão mais detalhada de planetas distantes: ao medir como a absorção de luz da estrela muda à medida que WASP-121 b gira, examinamos a sua atmosfera longitude por longitude,” disse Cyril Gap, MPIA.
As observações mostram que os terminadores noturnos absorvem mais luz do que os terminadores matinais. Isto é consistente com as ideias atuais sobre fortes ventos atmosféricos que transportam calor do lado diurno intensamente quente para o lado noturno mais frio. À medida que estes ventos se movem para leste em direção à rotação do planeta, aquecem mais fortemente a região noturna.
À medida que a temperatura aumenta, a atmosfera se expande. Uma atmosfera maior apresenta uma seção transversal maior para a luz estelar que chega, permitindo-lhe absorver mais radiação.
Os dados coletados com o instrumento NIRSpec (espectrógrafo de infravermelho próximo) do JWST também revelaram um forte sinal 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) contou uma história diferente. As observações sugerem que as moléculas de água são menos abundantes nas regiões atmosféricas mais quentes. Os cientistas interpretam isto como uma perda real de água porque as temperaturas na alta atmosfera são suficientemente altas para quebrar as moléculas de água nos seus elementos constituintes. Esta descoberta fornece evidências adicionais de que o ar quente está aquecendo o terminador noturno.
Um planeta de dia e noite permanentes
A detecção de diferenças atmosféricas tão sutis requer o aproveitamento de uma característica comum 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 uma rotação leve o mesmo tempo que uma viagem em torno da sua estrela. Como resultado, um hemisfério está constantemente voltado para as estrelas e o outro está perpetuamente na escuridão.
“WASP-121b é particularmente extremo, com temperaturas diurnas médias em torno de 2.770 Kelvin, enquanto as temperaturas noturnas estão em torno de 1.000 Kelvin”, explicou o co-autor Tom Evans-Soma, da Universidade de Newcastle, Austrália. Ele determinou anteriormente a faixa de temperatura do planeta e também está associado ao MPIA.
Esta temperatura corresponde a cerca de 2.500 °C (4.525 °F) durante o dia e cerca de 725 °C (1.340 °F) à noite.
À medida que o planeta transita pela sua estrela, ele gira ligeiramente entre o início e o fim do evento. Esta pequena rotação permite aos astrónomos observar diferentes secções da atmosfera. Embora o lado noturno seja principalmente visível, os cientistas também podem ver partes das regiões do amanhecer e do anoitecer e, dependendo da fase do trânsito, até mesmo pequenas áreas perto do lado diurno em chamas.
A face anterior da órbita corresponde ao terminador matinal, enquanto a face posterior corresponde ao terminador noturno.
Convertendo tempos de trânsito em mapas atmosféricos
Para estudar a atmosfera, os pesquisadores analisaram como o brilho do planeta mudou ao longo do trânsito. Eles também examinaram espectros, que são criados quando a luz é dividida em seus comprimentos de onda componentes, bem como prismas para criar arco-íris.
Diferentes gases absorvem comprimentos de onda específicos de luz, permitindo aos cientistas identificar substâncias químicas presentes na atmosfera.
À medida que o planeta gira à medida que se move ao longo da face da sua estrela, as mudanças no sinal ao longo do tempo correspondem às diferentes longitudes do planeta. Durante um trânsito completo, WASP-121 b gira cerca de 30 graus, o suficiente para distinguir os terminadores da manhã (amanhecer) e do anoitecer (crepúsculo) com notável precisão.
Os astrónomos combinam frequentemente todas as medições de trânsito num único sinal médio para melhorar a clareza. Neste estudo, no entanto, Gap e os seus colegas permitem que o sinal mude ao longo do tempo à medida que o planeta gira. A análise estatística mostrou que este método correspondeu notavelmente bem às observações, fornecendo fortes evidências de que as diferenças atmosféricas são reais.
Nuvens potenciais estão faltando no modelo atual
Para compreender as observações, os investigadores realizaram simulações computacionais do transporte de calor na atmosfera superior de um gigante gasoso. Os modelos reproduziram com sucesso a assimetria geral causada pelas diferenças de temperatura, mas o efeito observado foi mais forte do que o previsto.
Esta discrepância sugere que processos adicionais podem estar afetando a atmosfera.
Uma possibilidade é que o terminador matinal experimente um frio adicional que os modelos atuais não conseguem capturar. Pesquisas anteriores sugeriram que podem existir nuvens nesta região. Ao contrário das nuvens da Terra, elas provavelmente consistem em minerais semelhantes ao silicato, em vez de gotículas de água.
Essas 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 um ambiente em rápida mudança é extremamente difícil. Como resultado, muitos modelos de atmosfera de exoplanetas utilizados nestes estudos não incorporam totalmente a física das nuvens.
Quando a equipa modificou as suas simulações para aproximar os efeitos das nuvens, os resultados alinharam-se mais estreitamente com as observações. Ainda assim, serão necessárias modelagens mais avançadas antes que os investigadores possam confirmar a presença de nuvens em WASP-121 b.
Uma nova maneira de estudar exoplanetas extremos
Melhorias futuras nos modelos atmosféricos poderão tornar esta técnica ainda mais robusta.
Os pesquisadores já identificaram outros gigantes gasosos superaquecidos 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 as mudanças nas condições atmosféricas em mundos diferentes e obter uma compreensão mais profunda da sua estrutura tridimensional.
Informações adicionais
Os astrônomos do MPIA envolvidos neste estudo foram Cyril Gapp (também Universidade de Heidelberg), Thomas M. Evans-Soma (também Universidade de Newcastle, Austrália) e Eva-Maria Aherer.
Outros pesquisadores são: Aurelian Falco (Universidade Sorbonne, Paris, França), David K. Singh (Universidade Johns Hopkins, Baltimore, EUA), Shashank Dholakia (Universidade de Queensland, Santa Lúcia, Austrália), Vivienne Parmentier (Université de la Côte, Nicecone, França), (Université Bordeaux, França) e Guangwei Fu (Universidade Johns Hopkins).
As observações JWST usadas neste estudo foram conduzidas como parte do Programa GO #1729 (PI: Thomas Evans-Soma, Co-PI: Tiffany Kataria) intitulado “A NIRSpec Phase Curve for the Ultrahot Jupiter WASP-121b” e do Programa GTO #1201 (PI: la David Belloreni) Explore Diversity of Transiting Exoplanets (NEAT).”
O NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) foi construído pela indústria europeia de acordo com as especificações da Agência Espacial Europeia (ESA) e gerido pelo projecto ESA JWST no ESTEC (Centro Europeu de Investigação e Tecnologia Espacial), na Holanda. O contratante principal foi a Airbus Defence and Space em Ottobrunn, Alemanha. MPIA contribui para o desenvolvimento e produção de filtros e rodas de grade do NIRSpec. O detector NIRSpec e os subsistemas de matriz de micro-obturadores foram fornecidos pelo Goddard Space Flight Center (GSFC) da NASA.
O Telescópio Espacial James Webb é o observatório líder mundial para pesquisas espaciais. É um programa internacional liderado pela NASA e pelos seus parceiros ESA e CSA (Agência Espacial Canadense).
