Este é um conceito artístico do exoplaneta GJ 9827d, o menor exoplaneta onde foi detectado vapor de água na atmosfera. O planeta poderia ser um exemplo de planetas potenciais com atmosferas ricas em água em outras partes da nossa galáxia. Com apenas cerca de duas vezes o diâmetro da Terra, o planeta orbita a estrela anã vermelha GJ 9827. Dois planetas internos do sistema estão à esquerda. As estrelas de fundo são plotadas como seriam vistas a olho nu, olhando em direção ao nosso Sol. O Sol está muito fraco para ser visto. A estrela azul no canto superior direito é Regulus; a estrela amarela no centro inferior é Denebola; e a estrela azul no canto inferior direito é Spica. A constelação de Leão está à esquerda e Virgem está à direita. Ambas as constelações estão distorcidas da nossa visão terrestre a 97 anos-luz de distância. Crédito: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI), Ralf Crawford (STScI)
O estudo de “exoplanetas”, o nome que soa como ficção científica para todos os planetas no cosmos além do nosso próprio sistema solar, é um campo bastante novo. Principalmente, exoplaneta pesquisadores como os do ExoLab da Universidade do Kansas usam dados de telescópios espaciais, como o telescópio espacial Hubble e Telescópio Espacial Webb. Sempre que as manchetes oferecem descobertas de planetas “semelhantes à Terra” ou planetas com potencial para sustentar a humanidade, elas estão falando sobre exoplanetas dentro do nosso próprio planeta. via Láctea.
Jonathan Brande, doutorando no ExoLab da Universidade do Kansas, acaba de publicar descobertas na revista científica de acesso aberto O Cartas de diários astrofísicos mostrando novos detalhes atmosféricos em um conjunto de 15 exoplanetas semelhantes a Netuno. Embora nenhum pudesse apoiar a humanidade, uma melhor compreensão do seu comportamento poderia ajudar-nos a compreender porque não temos um pequeno Neptuno, enquanto a maioria dos sistemas solares parece apresentar um planeta desta classe.
“Nos últimos anos na KU, meu foco tem sido estudar as atmosferas de exoplanetas por meio de uma técnica conhecida como espectroscopia de transmissão”, disse Brande. “Quando um planeta transita, ou seja, move-se entre a nossa linha de visão e a estrela que orbita, a luz da estrela passa pela atmosfera do planeta, sendo absorvida pelos vários gases presentes. Ao capturar um espectro da estrela – passando a luz através de um instrumento chamado espectrógrafo, semelhante a passá-la através de um prisma – observamos um arco-íris, medindo o brilho das diferentes cores constituintes. Áreas variadas de brilho ou obscuridade no espectro revelam os gases que absorvem luz na atmosfera do planeta.”
Compreendendo as atmosferas dos exoplanetas
Com esta metodologia, há vários anos Brande publicou um artigo sobre o exoplaneta “quente Neptuno” TOI-674 b, onde apresentou observações indicando a presença de vapor de água na sua atmosfera. Estas observações fizeram parte de um programa mais amplo liderado pelo conselheiro de Brande, Ian Crossfield, professor associado de física e astronomia na KU, para observar as atmosferas de exoplanetas do tamanho de Neptuno.
“Queremos compreender o comportamento destes planetas, visto que aqueles ligeiramente maiores que a Terra e menores que Netuno são os mais comuns na galáxia”, disse Brande.
Este recente artigo da ApJL resume as observações desse programa, incorporando dados de observações adicionais para abordar a razão pela qual alguns planetas parecem nublados enquanto outros estão claros.
“O objetivo é explorar as explicações físicas por trás das aparências distintas destes planetas”, disse Brande.
Brande e os seus co-autores prestaram especial atenção às regiões onde os exoplanetas tendem a formar nuvens ou neblinas no alto da sua atmosfera. Quando tais aerossóis atmosféricos estão presentes, o pesquisador da KU disse que as neblinas podem bloquear a filtragem da luz pela atmosfera.
“Se um planeta tem uma nuvem logo acima da superfície com centenas de quilómetros de ar limpo acima dela, a luz das estrelas pode facilmente passar através do ar limpo e ser absorvida apenas pelos gases específicos naquela parte da atmosfera”, disse Brande. “No entanto, se a nuvem estiver posicionada muito alta, as nuvens são geralmente opacas em todo o espectro eletromagnético. Embora as neblinas tenham características espectrais, para o nosso trabalho, onde nos concentramos numa faixa relativamente estreita com o Hubble, elas também produzem espectros principalmente planos.”
De acordo com Brande, quando esses aerossóis estão presentes no alto da atmosfera, não há um caminho claro para a filtragem da luz.
“Com o Hubble, o único gás ao qual somos mais sensíveis é o vapor de água”, disse ele. “Se observarmos vapor d’água na atmosfera de um planeta, é um bom indício de que não existem nuvens altas o suficiente para bloquear sua absorção. Por outro lado, se o vapor de água não for observado e apenas um espectro plano for visto, apesar de sabermos que o planeta deveria ter uma atmosfera extensa, isso sugere a provável presença de nuvens ou neblinas em altitudes mais elevadas.”
Brande liderou o trabalho de uma equipe internacional de astrônomos no artigo, incluindo Crossfield da KU e colaboradores do Instituto Max Planck em Heidelberg, Alemanha, um grupo liderado por Laura Kreidberg, e investigadores da Universidade do Texas, Austin, liderados por Caroline Morley.
Brande e os seus co-autores abordaram a sua análise de forma diferente dos esforços anteriores, concentrando-se na determinação dos parâmetros físicos das atmosferas do pequeno Neptuno. Em contraste, as análises anteriores frequentemente envolviam o ajuste de um único espectro de modelo às observações.
“Normalmente, os pesquisadores pegariam um modelo atmosférico com conteúdo de água pré-computado, dimensionariam-no e mudariam-no para corresponder aos planetas observados em sua amostra”, disse Brande. “Esta abordagem indica se o espectro está claro ou nublado, mas não fornece informações sobre a quantidade de vapor d’água ou a localização das nuvens na atmosfera.”
Em vez disso, Brande empregou uma técnica conhecida como “recuperação atmosférica”.
“Isso envolveu modelar a atmosfera em vários parâmetros do planeta, como quantidade de vapor de água e localização das nuvens, iterando centenas e milhares de simulações para encontrar a configuração mais adequada”, disse ele. “As nossas recuperações deram-nos um espectro de modelo mais adequado para cada planeta, a partir do qual calculámos o quão nublado ou claro o planeta parecia estar. Depois, comparámos essas clarezas medidas com um conjunto separado de modelos de Caroline Morley, o que nos permitiu ver que os nossos resultados estão em linha com as expectativas para planetas semelhantes. Ao examinar o comportamento das nuvens e da neblina, nossos modelos indicaram que as nuvens se ajustavam melhor do que a neblina. O parâmetro de eficiência de sedimentação, refletindo a compactação das nuvens, sugeriu que os planetas observados tinham eficiências de sedimentação relativamente baixas, resultando em nuvens fofas. Estas nuvens, compostas por partículas como gotículas de água, permaneceram elevadas na atmosfera devido à sua baixa tendência de sedimentação.”
As descobertas de Brande fornecem informações sobre o comportamento destas atmosferas planetárias e causaram “interesse substancial” quando as apresentou numa reunião recente da Sociedade Astronómica Americana.
Outras descobertas
Além disso, Brande faz parte de um programa de observação internacional, liderado por Crossfield, que acaba de anunciar descobertas de vapor de água em GJ 9827d — um planeta tão quente quanto Vênus 97 anos-luz da Terra, na constelação de Peixes.
As observações, feitas com o Telescópio Espacial Hubble, mostram que o planeta pode ser apenas um exemplo de planetas ricos em água na Via Láctea. Eles foram anunciados por uma equipe liderada por Pierre-Alexis Roy, do Instituto Trottier para Pesquisa em Exoplanetas da Universidade de Montreal.
“Estávamos procurando vapor de água nas atmosferas de planetas do tipo subnetuno”, disse Brande. “O artigo de Pierre-Alexis é o mais recente desse esforço principal porque foram necessárias aproximadamente 10 ou 11 órbitas ou trânsitos do planeta para fazer a detecção de vapor de água. O espectro de Pierre-Alexis entrou em nosso artigo como um dos nossos pontos de dados de tendência, e incluímos todos os planetas de sua proposta e de outros estudados na literatura, tornando nossos resultados mais fortes. Estivemos em estreita comunicação com eles durante o processo de ambos os artigos para garantir que estávamos usando os resultados atualizados adequados e refletindo com precisão suas descobertas.”
Referência: “Nuvens e clareza: revisitando tendências de características atmosféricas em exoplanetas do tamanho de Netuno” por Jonathan Brande, Ian JM Crossfield, Laura Kreidberg, Caroline V. Morley, Travis Barman, Björn Benneke, Jessie L. Christiansen, Diana Dragomir, Jonathan J. Fortney, Thomas P. Greene, Kevin K. Hardegree-Ullman, Andrew W. Howard, Heather A. Knutson, Joshua D. Lothringer e Thomas Mikal-Evans, 18 de janeiro de 2024, As cartas do jornal astrofísico.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad1b5c
