Astrônomos da Universidade de Genebra (UNIGE), do Centro Nacional de Competência em Estudos Planetários e do Instituto Trotier para Pesquisa de Exoplanetas (IREx) da Universidade de Montreal (UdeM) fizeram um grande avanço com o Telescópio Espacial James Webb (JWST). Pela primeira vez, os investigadores monitorizaram continuamente o gás que escapa da atmosfera de um exoplaneta em órbita completa em torno da sua estrela.
As observações revelaram um resultado inesperado e dramático. O gigante gasoso WASP-121b está rodeado não por um, mas por dois enormes fluxos de hélio que se estendem por mais de metade da sua órbita. Combinados com modelos computacionais avançados desenvolvidos na UNIGE, estes dados fornecem a visão mais detalhada do fluxo atmosférico, um processo poderoso que pode alterar a forma de um planeta durante longos períodos de tempo. As descobertas são publicadas em Comunicações da natureza.
Júpiter ultraquente em condições extremas
WASP-121b pertence a uma classe de planetas conhecidos como Júpiteres ultraquentes. Esses enormes gigantes gasosos orbitam muito perto de suas estrelas e o WASP-121b completa uma revolução completa em apenas 30 horas. Devido à sua proximidade, a intensa radiação da estrela aquece a atmosfera do planeta a uma temperatura de vários milhares de graus.
Com um calor tão intenso, elementos leves como o hidrogênio e o hélio podem se libertar e voar para o espaço. Ao longo de milhões de anos, esta perda constante de material atmosférico pode alterar drasticamente o tamanho, a composição e a evolução a longo prazo de um planeta.
Por que o monitoramento contínuo é importante
Até agora, os astrónomos só podiam estudar o fluxo da atmosfera durante curtos trânsitos planetários – os breves momentos em que um planeta passa em frente da sua estrela do ponto de vista da Terra. Essas imagens duraram apenas algumas horas e forneceram informações limitadas.
Sem monitorização contínua, os cientistas não poderiam determinar até que ponto o gás que escapava se espalhou ou como a sua estrutura mudou ao longo do tempo.
Uma órbita completa rastreada por James Webb
Usando o Espectrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRISS) a bordo do Telescópio Espacial James Webb, a equipe de pesquisa observou WASP-121b por quase 37 horas consecutivas. Esta janela abrangeu mais de uma órbita completa, tornando-se a mais extensa detecção contínua de hélio já registada em torno de um planeta.
Esta observação de longo prazo permitiu aos cientistas rastrear a fuga da atmosfera com detalhes e precisão incomparáveis.
Duas enormes caudas de hélio foram descobertas
Ao medir como o hélio absorve a luz infravermelha, os investigadores descobriram que o gás em torno de WASP-121b se estende muito além do próprio planeta. O sinal de hélio permanece visível durante mais de metade da órbita do planeta, marcando a mais longa observação contínua de uma fuga até à data.
Ainda mais surpreendente é que o hélio não forma um único fluxo. Em vez disso, ele se divide em duas caudas distintas. Um está perseguindo o planeta, repelido pela radiação estelar e pelos ventos. Outras curvas em frente do planeta estão provavelmente a ser puxadas para a frente pela força gravitacional da estrela. Juntos, estes fluxos de gás estendem-se por uma distância que é 100 vezes o diâmetro do planeta, ou mais de três vezes a distância entre o planeta e a sua estrela.
“Ficamos incrivelmente surpresos ao ver quanto tempo durou a liberação de hélio”, explica Romain Allart, pós-doutorado na Universidade de Montreal, ex-bolsista de pós-doutorado na Universidade de Genebra e principal autor do artigo. “Esta descoberta revela a complexidade dos processos físicos que moldam as atmosferas exoplanetárias e as suas interações com o seu ambiente estelar. Estamos apenas começando a descobrir a verdadeira complexidade destes mundos.”
Modelando os limites das teorias modernas
O Departamento de Astronomia da Universidade de Genebra (UNIGE) é há muito tempo líder no estudo da fuga da atmosfera. Os modelos numéricos ali desenvolvidos desempenharam um papel fundamental na interpretação das primeiras detecções de hélio feitas pelo JWST.
Embora estes modelos descrevam com sucesso caudas de gás simples, semelhantes a cometas, eles lutam para reproduzir a estrutura de cauda dupla observada em torno de WASP-121b. “Esta descoberta mostra que a estrutura destas correntes é o resultado tanto da gravidade como do vento estelar, tornando uma nova geração de simulações 3D importante para a análise da sua física,” explica Ian Carteret, estudante de doutoramento no Departamento de Astronomia da Faculdade de Ciências da UNIGE e co-autor do estudo.
O que vem a seguir para a pesquisa de exoplanetas
O hélio tornou-se uma das ferramentas mais eficazes para rastrear a sua fuga da atmosfera, e a sensibilidade do JWST permite agora aos cientistas detectá-lo a distâncias e intervalos de tempo sem precedentes. Observações futuras ajudarão a determinar se a estrutura de cauda dupla observada em torno de WASP-121b é rara ou comum entre exoplanetas quentes.
Os investigadores também precisarão de refinar os seus modelos teóricos para explicar melhor como a gravidade, a radiação e os ventos estelares interagem para formar estas atmosferas descontroladas.
“Muitas vezes, novas observações revelam as limitações dos nossos modelos numéricos e levam-nos a estudar novos mecanismos físicos para compreender melhor estes mundos distantes”, conclui Vincent Bourrier, professor e investigador do Departamento de Astronomia da Faculdade de Ciências Naturais da Universidade de Genebra e co-autor do estudo.
