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. Os dados fornecem a evidência mais clara de que as duas regiões têm temperaturas e composições atmosféricas diferentes, confirmando previsões que anteriormente existiam apenas em modelos teóricos.
A descoberta vem de medições da luz infravermelha das estrelas que passam pela atmosfera do planeta à medida que WASP-121 b atravessa a sua estrela hospedeira. Ao examinar como a atmosfera filtra esta luz à medida que ela passa, os pesquisadores descobriram uma absorção desigual.
Segundo a equipe, a assimetria é melhor explicada pela diferença de temperatura e química entre os lados matinal e noturno do planeta.
“Com observações de qualidade sem precedentes, o JWST dá-nos os vislumbres mais detalhados de planetas distantes até à data: medindo como a absorção de luz da estrela muda à medida que WASP-121 b gira, investigamos a sua atmosfera longitude por longitude,” disse Cyril Gap, MPIA.
As observações mostram que o terminador noturno absorve mais luz do que o terminador matinal. Isto é consistente com as ideias modernas sobre os poderosos ventos atmosféricos que transportam o calor do lado quente do dia para o lado noturno mais frio. À medida que estes ventos se movem para leste na direção da rotação do planeta, aquecem mais a região noturna.
À medida que a temperatura aumenta, a atmosfera se expande. Uma atmosfera maior fornece uma seção transversal maior para a luz estelar que chega, permitindo-lhe absorver mais radiação.
Os dados coletados pelo instrumento NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) do JWST também revelaram um sinal mais forte 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 do monóxido de carbono.
Água (H2O) contou uma história diferente. As observações mostram que as moléculas de água se tornam menos abundantes nas regiões mais quentes da atmosfera. Os cientistas interpretam isto como uma verdadeira diminuição da água porque a temperatura na alta atmosfera é alta o suficiente para quebrar as moléculas de água nos seus elementos constituintes. Esta descoberta fornece mais evidências de que os ventos quentes aquecem o terminador noturno.
Um planeta de dia e noite constantes
A detecção de diferenças atmosféricas tão sutis exigiu o uso 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, resultando numa revolução que demora o mesmo tempo que uma viagem à volta da sua estrela. Como resultado, um hemisfério está constantemente voltado para a estrela, enquanto o outro permanece na escuridão eterna.
“WASP-121b é particularmente extremo, com uma temperatura média diurna de cerca de 2.770 Kelvin, enquanto a temperatura noturna está próxima de 1.000 Kelvin”, explica 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.
Essas temperaturas correspondem a quase 2.500 graus Celsius (4.525 graus Fahrenheit) no lado diurno e cerca de 725 graus Celsius (1.340 graus Fahrenheit) no lado noturno.
Quando um planeta transita pela sua estrela, ele gira ligeiramente entre o início e o fim do evento. Esta ligeira rotação permite aos astrónomos observar diferentes regiões da atmosfera. Embora o lado noturno permaneça principalmente visível, os cientistas também podem vislumbrar partes do amanhecer e do anoitecer e, dependendo da fase do trânsito, até mesmo pequenas áreas mais próximas do lado diurno.
O lado anterior da órbita corresponde ao terminador da manhã e o lado posterior corresponde ao terminador da noite.
Conversão de tempos de trânsito em mapas atmosféricos
Para estudar a atmosfera, os pesquisadores analisaram como o brilho do planeta mudou durante o trânsito. Eles também estudaram os espectros criados quando a luz é dividida em comprimentos de onda componentes, semelhante à forma como um prisma cria um arco-íris.
Diferentes gases absorvem certos comprimentos de onda de luz, permitindo aos cientistas identificar os produtos químicos 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 a diferentes longitudes do planeta. Durante o vôo completo, o WASP-121 b gira cerca de 30 graus, o suficiente para distinguir entre os terminadores da manhã (amanhecer) e da noite (crepúsculo) com extrema precisão.
Os astrônomos geralmente combinam todas as medições de trânsito em um sinal médio para melhorar a clareza. Neste estudo, no entanto, Gap e os seus colegas permitiram que o sinal mudasse ao longo do tempo à medida que o planeta girava. A análise estatística mostrou que esta abordagem estava muito mais de acordo com as observações, fornecendo fortes evidências de que as diferenças atmosféricas são reais.
Possíveis nuvens estão faltando nos modelos atuais
Para compreender as observações, os investigadores realizaram simulações computacionais da transferência de calor nas camadas superiores da atmosfera do gigante gasoso. Os modelos reproduziram com sucesso a assimetria geral causada pela diferença de temperatura, mas o efeito observado foi mais forte do que o previsto.
Esta discrepância sugere que processos adicionais podem estar influenciando a atmosfera.
Uma possibilidade é que o terminador matinal experimente um resfriamento adicional que os modelos atuais não conseguem capturar. Estudos anteriores sugeriram que podem existir nuvens nessas regiões. Ao contrário das nuvens da Terra, elas são provavelmente compostas de minerais como silicatos, em vez de gotículas de água.
Essas nuvens podem bloquear a radiação infravermelha proveniente 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 continua sendo extremamente desafiador. Como resultado, muitos modelos de atmosferas de exoplanetas, incluindo os utilizados neste estudo, não incorporam totalmente a física das nuvens.
Quando a equipe modificou suas simulações para aproximar os efeitos das nuvens, os resultados corresponderam mais de perto às observações. Mesmo assim, serão necessárias simulações mais sofisticadas antes que os investigadores possam confirmar com segurança a presença de nuvens no WASP-121 b.
Uma nova maneira de estudar exoplanetas extremos
Melhorias futuras nos modelos atmosféricos podem tornar esta técnica ainda mais poderosa.
Os pesquisadores já identificaram outros gigantes gasosos superquentes 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 como as condições atmosféricas mudam em diferentes mundos e obter uma compreensão mais profunda das suas estruturas tridimensionais.
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 Arer.
Os demais pesquisadores foram: Aurelian Falco (Universidade Sorbonne, Paris, França), David C. Singh (Universidade Johns Hopkins, Baltimore, EUA), Shashank Dholakia (Universidade de Queensland, Santa Lúcia, Austrália), Vivienne Parmantier (Universidade da Cote d’Azur, Nice, França), Jeremy Leconte (Universidade de Bordeaux, França) e Guangwei Fu (Universidade Johns Hopkins).
As observações JWST usadas neste estudo foram feitas no Programa GO #1729 (PI: Thomas Evans-Soma, Co-PI: Tiffany Kataria) intitulado “NIRSpec Phase Curve for Ultrahot Jupiter WASP-121b” e no Programa GTO #1201 (PI: David Lafreniere) intitulado “NIRISS Exploration of the Atmospheric 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 é 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 Ottabrunn, Alemanha. MPIA contribuiu para o projeto e fabricação de filtros e grades NIRSpec. O detector NIRSpec e os subsistemas de microobturadores foram fornecidos pelo Goddard Space Flight Center (GSFC) da NASA.
O Telescópio Espacial James Webb é o observatório líder mundial para exploração espacial. É um programa internacional liderado pela NASA e pelos seus parceiros ESA e CSA (Agência Espacial Canadense).
