O Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA obteve outra inovação: um retrato molecular e químico dos céus de um mundo distante. Enquanto Webb e outros telescópios espaciais, incluindo o NASA/ESA telescópio espacial Hubble, já revelaram ingredientes isolados da atmosfera deste planeta aquecido, as novas leituras fornecem um menu completo de átomos, moléculas e até sinais de química ativa e nuvens. Os dados mais recentes também sugerem como estas nuvens podem parecer de perto: fragmentadas e não como um cobertor único e uniforme sobre o planeta.
Os suscetíveis instrumentos do telescópio foram direcionados para a atmosfera de WASP-39 b, um “Saturno quente” (um planeta quase tão massivo quanto Saturno, mas em órbita mais estreita que Mercúrio) orbitando uma estrela a cerca de 700 anos-luz de distância. Este tamanho de Saturno exoplaneta foi um dos primeiros examinados pela NASA/ESA/CSA Telescópio espacial James Webb quando iniciou operações científicas regulares. Os resultados entusiasmaram a comunidade científica de exoplanetas. Os instrumentos extremamente sensíveis de Webb forneceram um perfil dos constituintes atmosféricos do WASP-39 b e identificaram uma infinidade de conteúdos, incluindo água, dióxido de enxofre, monóxido de carbono, sódio e potássio.
As descobertas são um bom presságio para a capacidade dos instrumentos de Webb de conduzir a ampla gama de investigações de exoplanetas - planetas em torno de outras estrelas - esperada pela comunidade científica. Isso inclui sondar as atmosferas de planetas rochosos mais pequenos, como os do sistema TRAPPIST-1.
“Observamos o exoplaneta com vários instrumentos que juntos cobrem uma ampla faixa do espectro infravermelho e uma panóplia de impressões digitais químicas inacessíveis até o JWST,” disse Natalie Batalha, astrônoma da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, que contribuiu e ajudou a coordenar a nova pesquisa. “Dados como esses são uma virada de jogo.”
O conjunto de descobertas é detalhado num conjunto de cinco novos artigos científicos, três dos quais estão no prelo e dois estão em revisão. Entre as revelações sem precedentes está a primeira detecção numa atmosfera de exoplaneta de dióxido de enxofre, uma molécula produzida a partir de reações químicas desencadeadas pela luz de alta energia da estrela-mãe do planeta. Na Terra, a camada protetora de ozônio na alta atmosfera é criada de maneira semelhante.
“Esta é a primeira vez que vimos evidências concretas de fotoquímica – reações químicas iniciadas pela luz estelar energética – em exoplanetas,” disse Shang-Min Tsai, pesquisador da Universidade de Oxford, no Reino Unido, e principal autor do artigo que explica a origem do dióxido de enxofre na atmosfera do WASP-39 b. “Vejo isso como uma perspectiva realmente promissora para avançar nossa compreensão de atmosferas de exoplanetas com [esta missão].”
Isso levou a outra inovação: cientistas aplicando modelos computacionais de fotoquímica a dados que exigem que essa física seja totalmente explicada. As melhorias resultantes na modelação ajudarão a construir o conhecimento tecnológico necessário para interpretar potenciais sinais de habitabilidade no futuro.
“Os planetas são esculpidos e transformados orbitando dentro do banho de radiação da estrela hospedeira,” disse Batalha. “Na Terra, essas transformações permitem que a vida prospere.”
A proximidade do planeta à sua estrela hospedeira — oito vezes mais próxima do que Mercúrio é para o nosso Espreguiçadeiras — também o torna um laboratório para estudar os efeitos da radiação de estrelas hospedeiras em exoplanetas. Um melhor conhecimento da ligação estrela-planeta deverá trazer uma compreensão mais profunda de como estes processos afectam a diversidade de planetas observados na galáxia.
Outros constituintes atmosféricos detectados pelo telescópio Webb incluem sódio (Na), potássio (K) e vapor de água (H2O), confirmando observações anteriores de telescópios espaciais e terrestres, bem como encontrando impressões digitais adicionais de água, nesses comprimentos de onda mais longos, que não foi visto antes.
Webb também viu gás carbônico (CO2) em resolução mais alta, fornecendo o dobro de dados relatados em observações anteriores. Entretanto, foi detectado monóxido de carbono (CO), mas assinaturas óbvias de metano (CH4) e sulfureto de hidrogénio (H2S) estavam ausentes dos dados de Webb. Se presentes, essas moléculas ocorrem em níveis muito baixos.
Para capturar este amplo espectro da atmosfera do WASP-39 b, uma equipe internacional de centenas de pessoas analisou independentemente dados de quatro dos modos de instrumento cuidadosamente calibrados do telescópio Webb.
“Tínhamos previsto o que [o telescópio] nos mostraria, mas era mais preciso, mais diversificado e mais bonito do que eu realmente acreditava que seria”, disse Hannah Wakeford, astrofísica da Universidade de Bristol, no Reino Unido, que investiga atmosferas de exoplanetas.
Ter uma lista tão completa de ingredientes químicos na atmosfera de um exoplaneta também dá aos cientistas um vislumbre da abundância de diferentes elementos em relação uns aos outros, como as proporções carbono-oxigênio ou potássio-oxigênio. Isto, por sua vez, fornece informações sobre como este planeta — e talvez outros — se formou a partir do disco de gás e poeira que rodeava a estrela-mãe nos seus anos mais jovens.
O inventário químico de WASP-39 b sugere uma história de colisões e fusões de corpos menores chamados planetesimais para criar um eventual gigante de planeta.
“A abundância de enxofre [em relação] ao hidrogénio indicou que o planeta presumivelmente sofreu uma acumulação significativa de planetesimais que podem entregar [estes ingredientes] à atmosfera”, disse Kazumasa Ohno, pesquisador de exoplanetas da UC Santa Cruz que trabalhou em dados de Webb. “Os dados também indicam que o oxigênio é muito mais abundante que o carbono na atmosfera. Isto indica potencialmente que WASP-39 b se formou originalmente longe da estrela central.”
Ao revelar com precisão os detalhes da atmosfera de um exoplaneta, os instrumentos do telescópio Webb tiveram um desempenho muito além das expectativas dos cientistas — e prometem uma nova fase de exploração da ampla variedade de exoplanetas no galáxia.
“Seremos capazes de ver o panorama geral das atmosferas dos exoplanetas”, dito Laura Flagg, pesquisadora da Universidade Cornell e membro da equipe internacional. “É incrivelmente emocionante saber que tudo será reescrito. Essa é uma das melhores partes de ser um cientista.”
Referências do periódico:
- Lili Alderson et al. Ciência de lançamento antecipado do exoplaneta WASP-39b com JWST NIRSpec G395H. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10488
- Z. Rustamkulov e outros. Ciência de lançamento antecipado do exoplaneta WASP-39b com JWST NIRSpec PRISM. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10487
- Eva-Maria Ahrer et al. Ciência de lançamento antecipado do exoplaneta WASP-39b com JWST NIRCam. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10489
- Adina D. Feinstein et al. Ciência de lançamento antecipado do exoplaneta WASP-39b com JWST NIRISS. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10493
- Shang-Min Tsai et al. Evidência direta de fotoquímica em uma atmosfera de exoplaneta. DOI: 10.48550/arXiv.2211.10490
