Arte do campo magnético de exoplanetas

A investigação sobre o exoplaneta WASP-39b revelou a necessidade de incluir campos magnéticos estelares em modelos para combinar observações com previsões teóricas, aumentando significativamente a precisão do estudo de exoplanetas. (Conceito do artista.) Crédito: SciTechDaily.com

Das variações de brilho da sua estrela hospedeira, exoplanetao tamanho e outras propriedades podem ser determinados. Para evitar erros, o campo magnético da estrela é decisivo.

A 700 anos-luz de distância da Terra, na constelação de Virgem, o planeta WASP-39b orbita a estrela WASP-39. O gigante gasoso, que leva pouco mais de quatro dias para completar uma órbita, é um dos exoplanetas mais estudados.

Pouco depois do seu comissionamento em julho de 2022, o Telescópio Espacial James Webb da NASA voltou o seu olhar de alta precisão para o planeta distante. Os dados revelaram evidências de grandes quantidades de vapor d’água, de metano e até, pela primeira vez, de dióxido de carbono na atmosfera do WASP-39b. Uma pequena sensação!

Mas ainda há um problema: os investigadores ainda não conseguiram reproduzir todos os detalhes cruciais das observações nos cálculos do modelo. Isto impede uma análise ainda mais precisa dos dados. No novo estudo liderado pelo MPS, os autores, incluindo pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (EUA), do Space Telescope Science Institute (EUA), da Universidade Keele (Reino Unido) e da Universidade de Heidelberg (Alemanha), mostram uma forma de superar esse obstáculo.

Desafios na interpretação de dados de exoplanetas

“Os problemas que surgem na interpretação dos dados do WASP-39b são bem conhecidos de muitos outros exoplanetas – independentemente de serem observados com o Kepler, TESS, James Webb, ou a futura espaçonave PLATO”, explica a cientista do MPS, Dra. Nadiia Kostogryz, primeira autora do novo estudo. “Tal como acontece com outras estrelas orbitadas por exoplanetas, a curva de luz observada de WASP-39 é mais plana do que os modelos anteriores podem explicar”, acrescenta ela.

Influência do escurecimento dos membros estelares nas curvas de luz dos exoplanetas

Estrelas com baixa intensidade de campo magnético exibem um escurecimento de membros mais pronunciado do que aquelas com um campo magnético forte. Isso afeta a forma da curva de luz. Crédito: MPS/hormesdesign.de

Os pesquisadores definem uma curva de luz como uma medida do brilho de uma estrela durante um longo período de tempo. O brilho de uma estrela flutua constantemente, por exemplo porque a sua luminosidade está sujeita a flutuações naturais. Os exoplanetas também podem deixar rastros na curva de luz. Se um exoplaneta passa na frente de sua estrela visto por um observador, ele escurece a luz estelar. Isso se reflete na curva de luz como uma queda regular e recorrente no brilho. Avaliações precisas de tais curvas fornecem informações sobre o tamanho e o período orbital do planeta. Os investigadores também podem obter informações sobre a composição da atmosfera do planeta, se a luz da estrela for dividida nos seus diferentes comprimentos de onda ou cores.

Uma análise detalhada da distribuição do brilho de uma estrela

O membro de uma estrela, a borda do disco estelar, desempenha um papel decisivo na interpretação da sua curva de luz. Assim como no caso do Sol, o membro parece mais escuro ao observador do que a área interna. No entanto, a estrela não brilha com menos intensidade mais longe. “Como a estrela é uma esfera e a sua superfície curva, olhamos para camadas mais altas e, portanto, mais frias no membro do que no centro,” explica o coautor e diretor do MPS, Prof. “Esta área, portanto, parece mais escura para nós”, acrescenta.

Sabe-se que o escurecimento dos membros afeta a forma exata do sinal do exoplaneta na curva de luz: o escurecimento determina quão abruptamente o brilho de uma estrela cai durante um trânsito planetário e depois aumenta novamente. No entanto, não foi possível reproduzir com precisão os dados observacionais utilizando modelos convencionais da atmosfera estelar. A diminuição do brilho foi sempre menos abrupta do que sugeriam os cálculos do modelo. “Ficou claro que estava faltando uma peça crucial do quebra-cabeça para entender com precisão o sinal dos exoplanetas”, diz o Diretor do MPS, Prof. Sami Solanki, co-autor do estudo atual.

O campo magnético é a peça que faltava no quebra-cabeça

Como mostram os cálculos publicados hoje, a peça que falta no quebra-cabeça é o campo magnético estelar. Tal como o Sol, muitas estrelas geram um campo magnético nas profundezas do seu interior através de enormes fluxos de calor. plasma. Pela primeira vez, os investigadores conseguiram incluir o campo magnético nos seus modelos de escurecimento dos membros. Eles puderam mostrar que a força do campo magnético tem um efeito importante: o escurecimento dos membros é pronunciado em estrelas com um campo magnético fraco, enquanto é mais fraco naquelas com um campo magnético forte.

Os investigadores também conseguiram provar que a discrepância entre os dados observacionais e os cálculos do modelo desaparece se o campo magnético da estrela for incluído nos cálculos. Para este fim, a equipe recorreu a dados selecionados de NASAdo Telescópio Espacial Kepler, que capturou a luz de milhares e milhares de estrelas de 2009 a 2018. Numa primeira etapa, os cientistas modelaram a atmosfera de estrelas Kepler típicas na presença de um campo magnético. Numa segunda etapa, geraram dados observacionais “artificiais” a partir desses cálculos. Como mostrou uma comparação com os dados reais, ao incluir o campo magnético, os dados do Kepler são reproduzidos com sucesso.

A equipe também estendeu suas considerações aos dados do Telescópio Espacial James Webb. O telescópio é capaz de dividir a luz de estrelas distantes em vários comprimentos de onda e, assim, procurar os sinais característicos de certas moléculas na atmosfera dos planetas descobertos. Acontece que o campo magnético da estrela-mãe influencia o escurecimento do membro estelar de forma diferente em diferentes comprimentos de onda – e deve, portanto, ser levado em consideração em avaliações futuras, a fim de obter resultados ainda mais precisos.

De telescópios a modelos

“Nas últimas décadas e anos, a forma de avançar na investigação de exoplanetas foi melhorar o hardware, os telescópios espaciais concebidos para procurar e caracterizar novos mundos. O Telescópio Espacial James Webb levou este desenvolvimento a novos limites,” afirma o Dr. Alexander Shapiro, co-autor do estudo actual e chefe de um grupo de investigação financiado pelo ERC no MPS. “O próximo passo agora é melhorar e refinar os modelos para interpretar esses excelentes dados”, acrescenta.

Para avançar ainda mais neste desenvolvimento, os investigadores querem agora estender as suas análises a estrelas que são claramente diferentes do Sol. Além disso, as suas descobertas oferecem a possibilidade de utilizar as curvas de luz de estrelas com exoplanetas para inferir a força do campo magnético estelar, que de outra forma é muitas vezes difícil de medir.

Referência: “Origem magnética da discrepância entre modelos e observações de escurecimento de membros estelares” por Nadiia M. Kostogryz, Alexander I. Shapiro, Veronika Witzke, Robert H. Cameron, Laurent Gizon, Natalie A. Krivova, Hans-G. Ludwig, Pierre FL Maxted, Sara Seager, Sami K. Solanki e Jeff Valenti, 12 de abril de 2024, Astronomia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02252-5



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