Conceito artístico do exoplaneta WASP-107b e sua estrela-mãe. Embora a estrela hospedeira bastante fria emita uma fração relativamente pequena de fótons de alta energia, eles podem penetrar profundamente na atmosfera fofa do planeta. Crédito: Ilustração: LUCA School of Arts, Bélgica/ Klaas Verpoest (visual), Johan Van Looveren (tipografia). Ciência: Achrène Dyrek (CEA e Université Paris Cité, França), Michiel Min (SRON, Holanda), Leen Decin (KU Leuven, Bélgica) / Equipe europeia MIRI EXO GTO / ESA / NASA
Observações com o MIRI do JWST detectam vapor de água, dióxido de enxofre e nuvens de areia na atmosfera de WASP-107b.
Uma equipa de astrónomos europeus, co-liderada por investigadores do MPIA, utilizou observações recentes feitas com o Telescópio Espacial James Webb (JWST) para estudar a atmosfera das proximidades exoplaneta WASP-107b. Ao examinar profundamente a sua atmosfera fofa, eles descobriram vapor de água, dióxido de enxofre e até nuvens de areia de silicato. Essas partículas residem em uma atmosfera dinâmica que exibe transporte vigoroso de material.
WASP-107b é um exoplaneta gasoso único que orbita uma estrela ligeiramente mais fria e menos massiva que o nosso Sol. A massa do planeta é semelhante a Netuno‘s, mas seu tamanho é muito maior, quase se aproximando Júpiteré o tamanho. Esta propriedade torna o WASP-107b bastante “fofo” em comparação com os planetas gigantes gasosos do Sistema Solar. Permite aos astrónomos observar a sua atmosfera cerca de 50 vezes mais profundamente do que a profundidade de exploração alcançada por um gigante do sistema solar como Júpiter.
O instrumento infravermelho médio de Webb revela a química
A equipa de astrónomos europeus aproveitou ao máximo a notável fofura deste exoplaneta, observando-o com o Instrumento de Infravermelho Médio (MIRI) a bordo do Telescópio Espacial James Webb (JWST). Esta oportunidade abriu uma janela para olhar profundamente a sua atmosfera, desvendando a sua complexa composição química. A razão por detrás disto é relativamente simples: os sinais, ou características espectrais, são muito mais proeminentes numa atmosfera menos densa em comparação com uma mais compacta. Seu estudo recente, publicado recentemente na revista Naturezarevela a presença de vapor d’água, dióxido de enxofre (SO2) e nuvens de silicato, mas notavelmente, não há vestígios do gás de efeito estufa metano (CH4).
Estas detecções fornecem informações cruciais sobre a dinâmica e a química deste cativante exoplaneta. Primeiro, a ausência de metano sugere um interior potencialmente quente, oferecendo uma visão tentadora do transporte de energia térmica na atmosfera do planeta. Em segundo lugar, a descoberta do dióxido de enxofre (conhecido pelo odor de fósforos queimados) foi uma grande surpresa. Cálculos anteriores previam a sua ausência, mas novos modelos climáticos da atmosfera do WASP-107b mostram agora que a sua natureza fofa acomoda a formação de dióxido de enxofre. Embora a sua estrela hospedeira bastante fria emita uma fracção relativamente pequena de fotões de alta energia, estes podem penetrar profundamente na atmosfera do planeta. Esta circunstância permite as reações químicas necessárias para produzir dióxido de enxofre.
O espectro de transmissão do exoplaneta quente de Netuno WASP-107b, capturado pelo espectrômetro de baixa resolução (LRS) do instrumento Mid-InfraRed (MIRI) a bordo do JWST, revela evidências de vapor de água, dióxido de enxofre e nuvens de silicato (areia) em a atmosfera do planeta. Os astrónomos começam por medir a luz da estrela quando o exoplaneta não está em trânsito. Esta é a luz estelar básica. À medida que o exoplaneta passa em frente da sua estrela hospedeira, bloqueia parcialmente a luz estelar. Ao mesmo tempo, alguma luz estelar passa pela atmosfera do exoplaneta. O MIRI registra a luz total (luz das estrelas mais a luz das estrelas que passa pela atmosfera do exoplaneta) durante o trânsito. Para cada comprimento de onda, os cientistas calculam a quantidade de luz estelar bloqueada pelo planeta e pela sua atmosfera (círculos brancos), subtraindo a luz estelar de base da luz total medida durante o trânsito. O espectro cobre comprimentos de onda entre 4,61 e 11,83 mícrons. Os dados são complementados com dados do Hubble, variando de 1,1 a 1,7 mícrons. A linha laranja sólida é o modelo que melhor se ajusta aos dados do JWST e do Hubble. As regiões coloridas sombreadas indicam a contribuição do vapor d’água (em vermelho), do dióxido de enxofre (em azul) e das nuvens de areia (em amarelo) para o modelo de melhor ajuste.
Crédito: Michiel Min/equipe europeia MIRI EXO GTO/ESA/NASA
O boletim meteorológico do WASP-107b prevê nuvens de areia
Mas não foi só isso que encontraram. As características espectrais do dióxido de enxofre e do vapor de água são significativamente diminuídas em comparação com o que seriam num cenário sem nuvens. Nuvens de alta altitude obscurecem parcialmente o vapor d’água e o dióxido de enxofre na atmosfera. Embora nuvens feitas de diferentes substâncias tenham sido inferidas noutros exoplanetas por meios indiretos, isto marca o primeiro caso em que os astrónomos podem identificar definitivamente a sua composição química. Neste caso, as nuvens consistem em pequenas partículas de silicato, uma substância familiar encontrada em muitas partes do mundo como principal constituinte da areia.
“O JWST está revolucionando a caracterização de exoplanetas, fornecendo insights sem precedentes a uma velocidade notável”, diz a autora principal Leen Decin da KU Leuven. “A descoberta de nuvens de areia, água e dióxido de enxofre neste exoplaneta fofo pelo instrumento MIRI do JWST é um marco fundamental. Remodela a nossa compreensão da formação e evolução planetária, lançando uma nova luz sobre o nosso próprio Sistema Solar.”
O coautor Paul Mollière, do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, Alemanha, concorda: “O valor do JWST não pode ser exagerado: para onde quer que olhemos com este telescópio, vemos sempre algo novo e inesperado. Este último resultado não é exceção.”
WASP-107b é um exoplaneta gasoso único que orbita uma estrela ligeiramente mais fria e menos massiva que o nosso Sol.
Um ciclo atmosférico exótico de gotículas de silicato
Em contraste com a atmosfera da Terra, onde a água congela a baixas temperaturas, as partículas de silicato podem congelar e formar nuvens em planetas gasosos que atingem temperaturas em torno de 1000 graus. Celsius. No entanto, no caso do WASP-107b, onde a atmosfera exterior se torna tão quente quanto aproximadamente 500 graus Celsius, os modelos tradicionais previam que estas nuvens de silicato deveriam formar-se mais profundamente na atmosfera, onde as temperaturas são substancialmente mais elevadas. Além disso, nuvens de areia em grandes altitudes chovem para as camadas inferiores. Como é então possível que estas nuvens de areia existam em grandes altitudes e continuem a perdurar?
“O facto de vermos estas nuvens de areia no alto da atmosfera deve significar que as gotas de chuva de areia evaporam em camadas mais profundas e muito quentes. O vapor de silicato resultante é elevado de forma eficiente”, explica o autor principal Michiel Min do SRON (Instituto Holandês de Pesquisa Espacial). “Aqui, eles se condensam novamente para formar nuvens de silicato mais uma vez. Isto é semelhante ao ciclo de vapor de água e nuvens da Terra, mas com gotículas de areia.” Este ciclo contínuo de sublimação e condensação através do transporte vertical é responsável pela presença sustentada de nuvens de areia na atmosfera do WASP-107b.
Esta investigação pioneira lança luz sobre o mundo exótico de WASP-107b e amplia os limites da nossa compreensão das atmosferas exoplanetárias. Marca um marco significativo na exploração exoplanetária, revelando a intrincada interação de produtos químicos e condições climáticas nestes mundos distantes.
Concepção artística do Telescópio Espacial James Webb. Crédito: NASA-GSFC, Adriana M. Gutierrez (CI Lab)
JWST e MIRI são ferramentas poderosas para explorar atmosferas de exoplanetas
“A MPIA tem orgulho de ter fornecido elementos-chave ao MIRI”, disse Thomas Henning, co-PI do MIRI e diretor da MPIA. “Entre eles estão as rodas de filtros do fotômetro e espectrômetro do MIRI, bem como os mecanismos que posicionam os elementos de seleção de comprimento de onda que produziram os espectros contendo as assinaturas químicas.” Os membros da equipe do MPIA também apoiaram os testes em solo e em voo do MIRI.
“Com colegas de toda a Europa e dos Estados Unidos, construímos e testamos o instrumento MIRI há quase 20 anos. É gratificante ver o nosso instrumento desvendar a atmosfera deste exoplaneta intrigante,” diz o especialista em instrumentos e co-PI do MIRI Bart Vandenbussche da KU Leuven.
O cientista do MPIA e co-I do programa de observação Jeroen Bouwman acrescenta: “Este estudo combina os resultados de várias análises independentes das observações do JWST e representa os anos de trabalho investidos não apenas na construção do instrumento MIRI, mas também nas ferramentas de calibração e análise para os dados observacionais adquiridos com MIRI.”
Para obter mais informações sobre esta descoberta, consulte Webb detecta vapor de água, dióxido de enxofre e nuvens de areia em exoplanetas próximos.
Referência: “SO2nuvens de silicato, mas sem CH4 detectado em um Netuno quente” por Achrene Dyrek, Michael Min, Leen Decin, Jeroen Bouwman, Nicolas Crouzet, Paul Mollier, Pierre-Olivier Lagage, Thomas Konings, Pascal Tremblin, Manuel Güdel, John Pye, Rens Waters, Thomas Henning, Bart Vandenbussche , Francisco Ardevol Martinez, Ioannis Argyriou, Elsa Ducrot, Linus Heinke, Gwenael Van Looveren, Olivier Absil, David Barrado, Pierre Baudoz, Anthony Boccaletti, Christophe Cossou, Alain Coulais, Billy Edwards, Rene Gastaud, Alistair Glasse, Adrian Glauser, Thomas P Greene, Sarah Kendrew, Oliver Krause, Fred Lahuis, Michael Meller, Goran Olofsson, Polychronis Patapis, Daniel Rouan, Pierre Rouer, Schethauer, Ingo Waldmann, Niall Whiterford, Luis Colina, Tom Pöran Ostlin, Tom Pöran Ostlin, Tom Pöran Ostlin, Tom Pöran Ostlin.Ray e Gillian Wright, 15 de novembro de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06849-0
Informações básicas
Estas observações foram obtidas como parte do programa 1280 de Observação de Tempo Garantido.
O JWST é o principal observatório de ciências espaciais do mundo. É resolver mistérios no nosso sistema solar, olhar para mundos distantes em torno de outras estrelas e sondar as misteriosas estruturas e origens do nosso universo e o nosso lugar nele. Webb é um programa internacional liderado por NASA com os seus parceiros, a ESA (Agência Espacial Europeia) e CSA (Agência Espacial Canadense).
O Mid-InfraRed Instrument (MIRI) do JWST, construído por um consórcio europeu de instituições de pesquisa, é um instrumento científico multifuncional para comprimentos de onda infravermelhos entre 5 e 28 mícrons. Ele combina uma câmera de imagem com um espectrógrafo. Com o apoio de parceiros industriais, a MPIA forneceu os mecanismos de todos os elementos de controle da faixa de comprimento de onda, como filtros e rodas de grade, e liderou o projeto elétrico do MIRI.
O consórcio europeu é composto por 46 astrónomos de 29 instituições de investigação de 12 países. A equipe do MPIA é composta por Jeroen Bouwman, Paul Mollière, Thomas Henning, Oliver Krause e Silvia Scheithauer.
