Uma equipe de astrônomos liderada por Carnegie encontrou a evidência mais clara 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, cuja superfície provavelmente está coberta por rocha derretida. As descobertas foram publicadas em 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 outros aspectos. Ele orbita muito perto de sua estrela, a uma distância de apenas um quadragésimo da distância de Mercúrio ao Sol. Embora a sua estrela seja ligeiramente menor e mais fria que o nosso Sol, a órbita próxima do planeta significa que completa um ano completo em apenas 10,56 horas. Um lado está permanentemente voltado para a estrela, deixando-a fechada à luz do dia constante.
“Com base no que sabemos sobre outros sistemas, os astrónomos poderiam ter previsto que tal planeta seria demasiado pequeno e quente para reter a sua própria atmosfera muito depois de ter sido formado,” explicou Nicole Wallack, estudante de doutoramento da Carnegie, co-autora do artigo. “Mas as nossas observações mostram que está rodeado por um manto de gás relativamente espesso, subvertendo a sabedoria convencional sobre planetas de período ultracurto.”
No nosso sistema solar, os planetas que são pequenos e altamente aquecidos tendem a perder os seus invólucros gasosos 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.
Pistas de baixa densidade indicam uma composição incomum
A possível presença de uma atmosfera pode ajudar a explicar outro enigma: a densidade do planeta é menor do que o esperado.
“Não é o que chamamos de planeta superfluff – ou ‘algodão doce’ – mas é menos denso do que esperaríamos se tivesse uma composição semelhante à da Terra”, disse a astrônoma da Carnegie Science, Johanna Teske, principal autora do estudo.
Antes de analisar os novos dados, a equipa questionou-se se a estrutura do planeta por si só poderia explicar isso. Uma ideia era que TOI-561 b pudesse ter um núcleo de ferro menor e um manto mais leve em comparação com a Terra.
Teske acrescentou que esta ideia é consistente com a origem do planeta: “TOI-561 b difere dos planetas de período ultracurto porque orbita uma estrela muito antiga – com o dobro da idade do Sol – pobre em ferro, numa região da Via Láctea conhecida como disco espesso. Deve ter-se formado num ambiente químico muito diferente dos planetas do nosso sistema solar.”
Isto sugere que o planeta pode assemelhar-se a mundos que se formaram quando o Universo era muito mais jovem. Contudo, a composição por si só não explica completamente as observações.
Dados de temperatura do JWST revelam atmosfera oculta
A equipa de investigação também sugeriu que uma atmosfera espessa poderia tornar o planeta 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 o brilho de um sistema muda à medida que um planeta se move atrás da sua estrela, um método também utilizado para estudar os planetas no sistema TRAPPIST-1.
Se o TOI-561 b não tivesse atmosfera, a sua temperatura diurna teria atingido quase 4.900 graus Fahrenheit (2.700 graus Celsius). Em vez disso, as medições mostraram uma temperatura mais baixa de cerca de 3.200 graus Fahrenheit (1.800 graus Celsius). Embora ainda muito quente, esta diferença sugere fortemente que o calor está a ser redistribuído por todo o planeta.
Ventos, nuvens e atmosfera rica e instável
Para explicar a temperatura mais baixa, os cientistas exploraram várias possibilidades. A superfície derretida do oceano pode transportar algum calor, mas sem atmosfera, o lado noturno provavelmente permanecerá sólido, limitando a transferência de calor. Também pode existir uma fina camada de rocha evaporada, embora não proporcione resfriamento suficiente por si só.
“Precisamos realmente de uma atmosfera espessa e rica em voláteis para explicar todas as observações”, disse a coautora Anjali Piet, da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, ex-bolsista de pós-doutorado da Carnegie. “Os ventos fortes irão arrefecer o lado diurno, transferindo calor para o lado noturno. Gases como o vapor de água irão absorver alguns comprimentos de onda da luz infravermelha próxima emitida pela superfície antes de passar pela atmosfera. (O planeta parecerá mais frio porque o telescópio está a detectar menos luz.) Também é possível que existam nuvens brilhantes de silicato que arrefecem a atmosfera ao reflectirem a luz das estrelas.”
Embora as evidências apontem fortemente para uma atmosfera, elas levantam uma questão séria. Como pode um planeta exposto a uma radiação tão intensa conter gás? Parte do material provavelmente escapará para o espaço, mas talvez não tão rapidamente quanto o esperado.
“Wet Lava Ball” com clima de reciclagem
Uma explicação é o equilíbrio entre o interior derretido do planeta e a sua atmosfera.
“Achamos que existe um equilíbrio entre o oceano de magma e a atmosfera. Ao mesmo tempo que os gases escapam do planeta para alimentar a atmosfera, o oceano de magma os suga de volta”, disse o coautor Tim Lichtenberg, da Universidade de Groningen, na Holanda, que também faz parte da equipe do projeto Atmospheric Empirical Theoretical and Experimental Research (AEThER), liderada por Carnegie. “Para explicar as observações, este planeta deve ser muito, muito mais volátil que a Terra. Realmente parece uma bola molhada de lava.”
Teske enfatizou que a descoberta levanta tantas questões quanto responde: “O que é realmente interessante é que este novo conjunto de dados levanta ainda mais questões do que respostas”.
Observações do JWST revelam novas questões sobre exoplanetas
Esses resultados vêm do programa JWST 3860 Shared Observers, que observou o sistema por mais de 37 horas enquanto o planeta completava quase quatro órbitas. Agora os investigadores estão a analisar o conjunto completo de dados para mapear os padrões de temperatura em todo o planeta e compreender melhor a composição da sua atmosfera.
O trabalho dá continuidade a um longo legado do envolvimento da Carnegie Science com o JWST, que remonta ao desenvolvimento inicial do telescópio e continua através de 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 baseadas no JWST impactam diretamente nossa força de longa data na compreensão de como as características dos exoplanetas são moldadas pela evolução e dinâmica planetária”, disse o Diretor do Laboratório Planetário e da Terra, Michael Walter. “Há resultados mais interessantes no horizonte e estamos prontos para uma nova onda de ciência JWST liderada por Carnegie no próximo ano.”
