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. Usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA, os pesquisadores detectaram sinais de gás ao redor de um alvo incomum: uma super-Terra antiga e extremamente quente que provavelmente tem uma superfície coberta por rocha derretida. Os resultados são publicados Cartas de diários astrofísicos.
O planeta, conhecido como TOI-561 b, tem cerca de duas vezes a massa da Terra, mas é dramaticamente diferente em quase todos os aspectos. Ele orbita muito perto de sua estrela, apenas um quadragésimo da distância do Sol a Mercúrio. Embora a sua estrela seja ligeiramente menor e mais fria que o nosso Sol, a órbita estreita do planeta significa que completa um ano completo em apenas 10,56 horas. Um lado fica constantemente voltado para a estrela, prendendo-a na luz do dia permanente.
“Com base no que sabemos sobre outros sistemas, os astrónomos teriam previsto que tal planeta seria demasiado pequeno e poderia reter a sua própria atmosfera durante muito tempo após o aquecimento,” explicou Nicole Wallack, pós-doutoranda da Carnegie Science, segunda autora do artigo. “Mas as nossas observações sugerem que está rodeado por uma camada relativamente espessa de gás, perturbando a sabedoria convencional sobre planetas de vida ultracurta.”
No nosso sistema solar, os planetas que são pequenos e intensamente 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, apesar das condições adversas, parece ter mantido a sua atmosfera.
Uma fórmula de baixa densidade aponta para uma composição incomum
A possível presença de uma atmosfera pode ajudar a explicar outro enigma: a densidade do planeta abaixo do esperado.
“Não é o que chamaríamos de um planeta super-puff – ou um planeta de ‘algodão doce’ – mas é menos denso do que seria de esperar se tivesse uma composição semelhante à da Terra,” disse a astrónoma da Carnegie Science Johanna Tesk, principal autora do estudo.
Antes de analisar os novos dados, a equipe considerou se a estrutura do planeta era a única responsável. Uma ideia era que TOI-561 b pudesse ter um pequeno núcleo de ferro e um manto feito de rochas mais leves que a Terra.
Teske acrescentou que esta ideia se enquadra na origem do planeta: “TOI-561 b é único entre os planetas de período ultracurto, na medida em que orbita uma estrela muito antiga – duas vezes mais velha que o Sol – pobre em ferro, numa região da Via Láctea conhecida como disco espesso. Deve ter-se formado num ambiente químico muito diferente do nosso próprio sistema químico.”
Isto sugere que o planeta pode assemelhar-se a um mundo que se formou numa idade muito mais jovem no universo. Ainda assim, a composição por si só não explica completamente as observações.
Dados de temperatura do JWST revelam atmosfera oculta
A equipa de investigação também propôs que uma atmosfera mais espessa poderia fazer o planeta parecer maior e, portanto, menos denso. Para investigar isso, eles usaram o espectrógrafo de infravermelho próximo (NIRSpec) do JWST para medir a temperatura diurna do planeta, observando seu brilho na luz infravermelha próxima. Este método monitoriza como a luz do sistema muda à medida que o planeta se move atrás da sua estrela, uma técnica também utilizada para estudar planetas no sistema TRAPPIST-1.
Se o TOI-561 b não tivesse atmosfera, a sua temperatura diurna atingiria cerca de 4.900 graus Fahrenheit (2.700 graus Celsius). Em vez disso, as medições mostram temperaturas mais baixas de cerca de 3.200 graus Fahrenheit (1.800 graus Celsius). Embora ainda extremamente quente, esta diferença sugere fortemente que o calor está a ser redistribuído por todo o planeta.
Vento, nuvens e uma atmosfera rica em voláteis
Para temperaturas mais frias, os cientistas exploraram várias possibilidades. A superfície de um oceano derretido pode transferir algum calor, mas sem atmosfera, o lado noturno provavelmente permaneceria sólido, limitando a transferência de calor. Também pode existir uma fina camada de rocha em evaporação, embora esta por si só não proporcione resfriamento suficiente.
“Precisamos realmente de uma atmosfera densa e rica em voláteis para explicar todas as observações”, disse a co-autora Anjali Peet, da Universidade de Birmingham, no Reino Unido. “Ventos mais fortes esfriarão o dia, transportando calor para a noite. Gases como o vapor d’água absorverão alguns comprimentos de onda da luz infravermelha emitida pela superfície antes de subir pela atmosfera. (O planeta parecerá mais frio porque os telescópios detectam menos luz.) Também é possível que os silicatos mais frios sejam refletidos pelas nuvens estelares.”
Embora a evidência aponte fortemente para uma atmosfera, isto levanta uma questão maior. Como poderia um planeta exposto a uma radiação tão intensa reter gás? Provavelmente algum material está escapando para o espaço, mas provavelmente não tão rápido quanto o esperado.
Uma “bola de lava úmida” com atmosfera reciclada
Uma explicação é um equilíbrio entre o interior derretido do planeta e a sua atmosfera.
“Pensamos que existe um equilíbrio entre o oceano de magma e a atmosfera. Ao mesmo tempo que os gases saem do planeta para alimentar a atmosfera, o oceano de magma os suga para o interior”, disse o co-autor Tim Lichtenberg, da Universidade de Groningen, na Holanda, que faz parte do estudo da AT Carnegie-Emperial. (AEThER) equipe do projeto. “Este planeta teria que ser muito mais rico em voláteis do que a Terra para explicar a observação. É realmente como uma bola de lava molhada.”
Teske enfatizou que a descoberta levanta tantas questões quanto responde: “O que é realmente emocionante é que este novo conjunto de dados está abrindo mais perguntas do que respostas”.
As observações do JWST abrem novas questões sobre exoplanetas
Esses resultados vêm do Programa de Observadores Gerais 3860 do JWST, que observou o sistema por mais de 37 horas enquanto o planeta completava quase quatro órbitas. Os investigadores estão agora a analisar todo o conjunto de dados para mapear padrões de temperatura em todo o planeta e compreender melhor a sua composição atmosférica.
O trabalho dá continuidade a um longo legado de envolvimento da Carnegie Science com o JWST, abrangendo o desenvolvimento inicial do telescópio e vários ciclos de observação. Desde que o JWST iniciou as operações científicas, os pesquisadores da Carnegie lideraram inúmeras equipes que estudam exoplanetas, galáxias e outros fenômenos cósmicos.
“Essas descobertas impulsionadas pelo JWST aproveitam diretamente nossos pontos fortes de longa data na compreensão de como as propriedades dos exoplanetas são moldadas pela evolução e dinâmica planetária”, disse Michael Walter, diretor do Laboratório da Terra e do Planeta. “Há resultados mais interessantes no horizonte e estamos ansiosos por uma nova onda de ciência JWST liderada por Carnegie no próximo ano.”
