O JWST é agora um meteorologista interplanetário?

O JWST continua se superando. No último ato de superação do telescópio, ele examinou um exoplaneta distante para mapear seu clima. A previsão?

Um inferno infindável e escaldante, impulsionado por ventos supersônicos incessantes.

WASP-43b é um Júpiter quente orbitando uma estrela da sequência principal a cerca de 261 anos-luz de distância. Tem um raio ligeiramente maior que Júpiter e é cerca de duas vezes mais massivo. Ele orbita sua estrela em menos de 20 horas e está a apenas 2,1 milhões de quilômetros de distância dela. Isso significa que ele está travado de forma maré na estrela, com um lado voltado para toda a radiação e o outro permanentemente escuro.

Isto não é incomum em exoplanetas gigantes gasosos. Eles geralmente estão próximos às estrelas e não giram.

A descoberta do WASP-43b foi anunciada em 2011. Desde então, os astrónomos estudaram-no extensivamente. Em 2019, os investigadores capturaram o seu espectro e relataram água nas suas nuvens. Por outro lado, nenhum metano, dióxido de carbono ou monóxido de carbono foram detectados. Outras pesquisas mostraram que as partículas minerais dominam suas nuvens. O Telescópio Espacial Hubble foi o grande responsável por estes resultados; outros telescópios como o Spitzer também contribuíram.

Os cientistas sabiam que quando o JWST fosse lançado, eventualmente voltaria seus olhos para o WASP-43b. “Ter um período orbital curto e estar bloqueado pela maré torna o WASP-43b um candidato ideal para observações do JWST”, explicaram os autores do um artigo de 2020. “As observações da curva de fase de uma órbita inteira permitirão o mapeamento da estrutura atmosférica em todo o planeta, com diferentes comprimentos de onda de observação permitindo que diferentes profundidades atmosféricas sejam vistas.” O seu artigo antecipou o que o JWST poderia encontrar e como as suas observações poderiam ser compreendidas.

Agora, estamos no futuro, e o JWST deu uma olhada no WASP-43b e capturou observações mais detalhadas do que nunca. As poderosas capacidades infravermelhas do telescópio espacial mediram o calor em ambos os lados do planeta e permitiram o mapeamento da estrutura atmosférica do planeta, tal como afirmaram os autores do artigo de 2020.

Um novo artigo na Nature Astronomy apresenta os resultados. É intitulado “Nuvens noturnas e química de desequilíbrio no Júpiter quente WASP-43b.” O autor principal é Taylor Bell, pesquisador do Bay Area Environmental Research Institute.

“Com o Hubble, pudemos ver claramente que há vapor de água no lado diurno. Tanto o Hubble quanto o Spitzer sugeriram que poderia haver nuvens no lado noturno”, explicou o autor principal, Bell. “Mas precisávamos de medições mais precisas do Webb para realmente começar a mapear a temperatura, a cobertura de nuvens, os ventos e uma composição atmosférica mais detalhada em todo o planeta.”

Apesar de seu poder, o JWST não consegue ver diretamente o WASP-43b. Em vez disso, utiliza espectroscopia de curva de fase. A espectroscopia de curva de fase mede a luz do planeta e da estrela ao longo do tempo, detectando pequenas mudanças na luz de ambos à medida que o planeta orbita a estrela. Como o JWST detecta luz infravermelha, que é emitida dependendo do calor de um objeto, os dados de brilho variável do telescópio expressam a temperatura do planeta.

O espectrômetro MIRI do JWST capturou a curva de fase do WASP-43b. O planeta fica mais quente quando está no lado oposto da estrela e seu lado iluminado está voltado para o telescópio. O telescópio vê o lado escuro mais frio quando o planeta está deste lado da estrela e transitando na frente dela.

“Ao observar uma órbita inteira, fomos capazes de calcular a temperatura dos diferentes lados do planeta à medida que eles giravam até aparecerem”, explicou Bell. “A partir disso, poderíamos construir um mapa aproximado da temperatura em todo o planeta.”

Para colocar os dados em perspectiva, os pesquisadores compararam a curva de fase do WASP-43b com a Modelo Geral de Circulação (GCM) simulações. Os dados da curva de fase do JWST corresponderam mais a um GCM nublado do que a um GCM sem nuvens.

“Os modelos nublados são capazes de suprimir as emissões noturnas e combinar melhor os dados”, explicam os autores em seu artigo.

Os pesquisadores usaram dados infravermelhos detalhados para construir um mapa de temperatura do exoplaneta. O lado diurno tem uma temperatura média de cerca de 1.250 Celsius (2.300 F), que é quase quente o suficiente para forjar ferro. Mas o lado noturno provavelmente tem uma espessa camada de nuvens de alta altitude que retêm parte do calor. Essas nuvens fazem o lado noturno parecer mais frio do que realmente é. É muito mais frio, cerca de 600 graus Celsius (1.100 graus Fahrenheit), mas ainda quente o suficiente para derreter o alumínio.

“O facto de podermos mapear a temperatura desta forma é uma verdadeira prova da sensibilidade e estabilidade de Webb”, disse Michael Roman, co-autor da Universidade de Leicester, no Reino Unido.

Os investigadores também mapearam um ponto quente na atmosfera de WASP-43b, o que os ajudou a avaliar os ventos ferozes do exoplaneta. O ponto quente fica a leste do ponto que recebe mais luz estelar. Isso significa que ventos fortes estão movendo o gás aquecido.

O espectro do JWST também permitiu aos pesquisadores medir a presença de vapor d’água (H₂O) e metano (CH₄.) “Webb nos deu a oportunidade de descobrir exatamente quais moléculas estamos vendo e colocar alguns limites nas abundâncias”, disse Joanna Barstow, coautora da Open University no Reino Unido.

Webb encontrou vapor de água nos lados diurno e noturno, indicando a espessura e a elevação das nuvens. No entanto, o telescópio detectou ausência de metano (CH₄), o que é incomum. O calor extremo no lado diurno significa que o carbono está na forma de monóxido de carbono (CO). Mas a noite mais fria deve conter metano estável. Por que não está lá? Ventos fortes são os responsáveis.

“O facto de não vermos metano diz-nos que o WASP-43b deve ter velocidades de vento que atingem cerca de 8.000 quilómetros por hora”, explicou Barstow. “Se os ventos movem o gás do lado diurno para o noturno e vice-versa com rapidez suficiente, não há tempo suficiente para que as reações químicas esperadas produzam quantidades detectáveis ​​de metano no lado noturno.”

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Observações anteriores com o Hubble, Spitzer e outros revelaram alguns aspectos da atmosfera do WASP-43b. Mas o JWST deu um passo adiante. Ao determinar a velocidade extremamente elevada do vento no exoplaneta, os cientistas acreditam agora que a atmosfera é a mesma em todo o planeta.

“Em conjunto, os nossos resultados destacam as capacidades únicas do JWST/MIRI para a caracterização da atmosfera de exoplanetas”, escrevem os autores no seu artigo. Eles ressaltam que ainda existem algumas discrepâncias entre a curva de fase, as simulações do GCM e o equilíbrio químico na atmosfera.

Segundo os pesquisadores, mais observações de exoplanetas do JWST podem ajudar a resolvê-los. “Estas discrepâncias restantes sublinham a importância de explorar mais os efeitos das nuvens e da química do desequilíbrio em modelos numéricos, à medida que o JWST continua a impor restrições observacionais sem precedentes em planetas mais pequenos e mais frios”, concluem.