Usando o Telescópio Espacial James Webb da NASA, os cientistas podem ter identificado gases atmosféricos em 55 Cancri e, um exoplaneta rochoso superaquecido. Esta descoberta pode representar a evidência mais definitiva de uma atmosfera em qualquer planeta rochoso fora do nosso sistema solar. Crédito: SciTechDaily.com
O gás que borbulha de uma superfície coberta de lava em 55 Cancri e pode alimentar uma atmosfera rica em dióxido de carbono ou monóxido de carbono.
Hoje em dia, detectar uma atmosfera planetária a dezenas ou mesmo centenas de anos-luz da Terra pode não parecer grande coisa. Os cientistas encontraram sinais de atmosfera em torno de dezenas de exoplanetas nas últimas duas décadas. O problema é que todos esses planetas têm atmosferas espessas dominadas por hidrogénio que são relativamente fáceis de estudar. As camadas muito mais finas de gás que quase certamente cercam alguns exoplanetas pequenos e rochosos permaneceram desconhecidas.
Os investigadores pensam que podem ter finalmente vislumbrado uma atmosfera rica em voláteis que rodeia um planeta rochoso. Luz emitida pela luz quente e altamente irradiada exoplaneta 55 Cancri e apresenta evidências convincentes de uma atmosfera, provavelmente rica em dióxido de carbono ou monóxido de carbono, que pode estar a borbulhar de um vasto oceano de lava que cobre a superfície do planeta.
O resultado é a melhor evidência até agora de uma atmosfera rochosa de planeta fora do nosso sistema solar.
O conceito deste artista mostra como poderia ser o exoplaneta 55 Cancri e. Também chamado de Janssen, 55 Cancri e é a chamada super-Terra, um planeta rochoso significativamente maior que a Terra, mas menor que Netuno, que orbita sua estrela a uma distância de apenas 1,4 milhão de milhas (0,015 unidades astronômicas), completando uma órbita completa. em menos de 18 horas. (Mercúrio está 25 vezes mais longe do Sol do que 55 Cancri e está da sua estrela.) O sistema, que também inclui quatro grandes planetas gigantes gasosos, está localizado a cerca de 41 anos-luz da Terra, na constelação de Câncer. Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Telescópio espacial Webb sugere possível atmosfera ao redor do exoplaneta rochoso
Pesquisadores usando NASAde Telescópio Espacial James Webb pode ter detectado gases atmosféricos em torno de 55 Cancri e, um exoplaneta rochoso quente a 41 anos-luz da Terra. Esta é a melhor evidência até agora da existência de qualquer atmosfera de planeta rochoso fora do nosso sistema solar.
Renyu Hu, do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (Imagem: Getty Images)JPL) em Pasadena, Califórnia, é autor principal de um artigo publicado em 8 de maio em Natureza. “Webb está expandindo as fronteiras da caracterização de exoplanetas para planetas rochosos”, disse Hu. “Está realmente possibilitando um novo tipo de ciência.”
Super-Quente Super-Terra 55 Cancri e
55 Cancri e, também conhecido como Janssen, é um dos cinco planetas conhecidos que orbitam a estrela semelhante ao Sol 55 Cancri, na constelação de Câncer. Com diâmetro quase duas vezes maior que a Terra e densidade um pouco maior, o planeta é classificado como uma super-Terra: maior que a Terra, menor que Netunoe provavelmente semelhante em composição aos planetas rochosos do nosso sistema solar.
Descrever 55 Cancri e como “rochoso”, no entanto, pode deixar uma impressão errada. O planeta orbita tão perto da sua estrela (cerca de 2,3 milhões de quilómetros, ou vinte e cinco da distância entre Mercúrio e o Sol) que é provável que a sua superfície esteja derretida – um oceano borbulhante de magma. Com uma órbita tão estreita, é provável que o planeta também esteja bloqueado pelas marés, com um lado diurno sempre voltado para a estrela e um lado noturno em escuridão perpétua.
Apesar de inúmeras observações desde que foi descoberto que transitava em 2011, a questão de saber se 55 Cancri e tem ou não uma atmosfera – ou mesmo poderia tenho um, dada a sua alta temperatura e o ataque contínuo de radiação estelar e vento da sua estrela – ficou sem resposta.
“Trabalho neste planeta há mais de uma década”, disse Diana Dragomir, investigadora de exoplanetas na Universidade do Novo México e coautora do estudo. “Tem sido realmente frustrante que nenhuma das observações que temos obtido tenha resolvido estes mistérios de forma robusta. Estou emocionado por finalmente termos obtido algumas respostas!”
Ao contrário das atmosferas dos planetas gigantes gasosos, que são relativamente fáceis de detectar (o primeiro foi detectado pela NASA telescópio espacial Hubble há mais de duas décadas), atmosferas mais finas e mais densas em torno de planetas rochosos permaneceram indefinidas.
Estudos anteriores de 55 Cancri e usando dados do agora aposentado Telescópio Espacial Spitzer da NASA sugeriram a presença de uma atmosfera substancial rica em voláteis (moléculas que ocorrem na forma de gás na Terra) como oxigênio, nitrogênio e dióxido de carbono. Mas os investigadores não puderam descartar outra possibilidade: a de que o planeta esteja vazio, exceto por um tênue manto de rocha vaporizada, rico em elementos como silício, ferro, alumínio e cálcio. “O planeta está tão quente que parte da rocha derretida deveria evaporar”, explicou Hu.
Esta curva de luz mostra a mudança no brilho do sistema 55 Cancri à medida que o planeta rochoso 55 Cancri e, o mais próximo dos cinco planetas conhecidos no sistema, se move atrás da estrela. Este fenômeno é conhecido como eclipse secundário.
Quando o planeta está próximo da estrela, a luz infravermelha média emitida pela estrela e pelo lado diurno do planeta atinge o telescópio, e o sistema parece mais brilhante. Quando o planeta está atrás da estrela, a luz emitida pelo planeta é bloqueada e apenas a luz da estrela atinge o telescópio, fazendo com que o brilho aparente diminua.
Os astrônomos podem subtrair o brilho da estrela do brilho combinado da estrela e do planeta para calcular quanta luz infravermelha vem do lado diurno do planeta. Isso é então usado para calcular a temperatura diurna e inferir se o planeta tem ou não uma atmosfera.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL)
Medindo variações sutis em cores infravermelhas
Para distinguir entre as duas possibilidades, a equipe usou o NIRCam (Near-Infrared Camera) e o MIRI (Mid-Infrared Instrument) de Webb para medir a luz infravermelha de 4 a 12 mícrons vinda do planeta.
Embora Webb não consiga capturar uma imagem direta de 55 Cancri e, pode medir mudanças subtis na luz do sistema à medida que o planeta orbita a estrela.
Ao subtrair o brilho durante o eclipse secundário (ver imagem acima), quando o planeta está atrás da estrela (apenas luz estelar), do brilho quando o planeta está mesmo ao lado da estrela (luz da estrela e do planeta combinados), a equipa obteve capaz de calcular a quantidade de vários comprimentos de onda de luz infravermelha provenientes do lado diurno do planeta.
Este método, conhecido como espectroscopia de eclipse secundário, é semelhante ao utilizado por outras equipas de investigação para procurar atmosferas noutros exoplanetas rochosos, como TRAPPIST-1 b.
Um espectro de emissão térmica capturado pela NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb em novembro de 2022, e MIRI (Mid-Infrared Instrument) em março de 2023, mostra o brilho (eixo y) de diferentes comprimentos de onda de luz infravermelha (eixo x) emitido pelo exoplaneta super-Terra 55 Cancri e. O espectro mostra que o planeta pode estar rodeado por uma atmosfera rica em dióxido de carbono ou monóxido de carbono e outros voláteis, e não apenas rocha vaporizada.
O gráfico compara os dados coletados pelo NIRCam (pontos laranja) e MIRI (pontos roxos) com dois modelos diferentes. O modelo A, em vermelho, mostra como deveria ser o espectro de emissão de 55 Cancri e se ele tivesse uma atmosfera feita de rocha vaporizada. O modelo B, em azul, mostra como deveria ser o espectro de emissão se o planeta tivesse uma atmosfera rica em voláteis liberada de gases de um oceano de magma que tivesse um conteúdo volátil semelhante ao do manto da Terra. Os dados MIRI e NIRCam são consistentes com o modelo rico em voláteis.
A quantidade de luz infravermelha média emitida pelo planeta (MIRI) mostra que a sua temperatura diurna é significativamente mais baixa do que seria se não tivesse uma atmosfera para distribuir o calor do lado diurno para o noturno. A queda no espectro entre 4 e 5 mícrons (dados NIRCam) pode ser explicada pela absorção desses comprimentos de onda pelas moléculas de monóxido de carbono ou dióxido de carbono na atmosfera.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Renyu Hu (NASA-JPL), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL), Michael Zhang (Universidade de Chicago), Mantas Zilinskas (SRON)
Mais frio do que o esperado
A primeira indicação de que 55 Cancri e poderia ter uma atmosfera substancial veio de medições de temperatura baseadas na sua emissão térmica (ver imagem acima), ou energia térmica emitida na forma de luz infravermelha. Se o planeta estiver coberto por rocha escura derretida com um fino véu de rocha vaporizada ou sem atmosfera alguma, o lado diurno deverá estar em torno de 4.000 graus. Fahrenheit (~2.200 graus Celsius).
“Em vez disso, os dados do MIRI mostraram uma temperatura relativamente baixa de cerca de 2.800 graus Fahrenheit (~1.540 graus Celsius)”, disse Hu. “Esta é uma indicação muito forte de que a energia está sendo distribuída do lado diurno para o noturno, muito provavelmente por uma atmosfera rica em voláteis.” Embora as correntes de lava possam transportar algum calor para o lado noturno, elas não conseguem movê-lo com eficiência suficiente para explicar o efeito de resfriamento.
Quando a equipe analisou os dados do NIRCam, eles viram padrões consistentes com uma atmosfera rica em voláteis.”
Vemos evidências de uma queda no espectro entre 4 e 5 mícrons – menos desta luz está chegando ao telescópio”, explicou o coautor Aaron Bello-Arufe, também do JPL da NASA. “Isso sugere a presença de uma atmosfera contendo monóxido de carbono ou dióxido de carbono, que absorve esses comprimentos de onda de luz.” Um planeta sem atmosfera ou com uma atmosfera constituída apenas por rocha vaporizada não teria esta característica espectral específica.
“Passámos os últimos dez anos a modelar diferentes cenários, tentando imaginar como seria este mundo”, disse a coautora Yamila Miguel, do Observatório de Leiden e do Instituto Holandês de Investigação Espacial (SRON). “Finalmente obter alguma confirmação do nosso trabalho não tem preço!”
Oceano de magma borbulhante
A equipa pensa que os gases que cobrem 55 Cancri e estariam a borbulhar do interior, em vez de estarem presentes desde a formação do planeta. “A atmosfera primária já teria desaparecido há muito tempo devido à alta temperatura e à intensa radiação da estrela”, disse Bello-Arufe. “Esta seria uma atmosfera secundária que é continuamente reabastecida pelo oceano de magma. Magma não é apenas cristais e rochas líquidas; há muito gás dissolvido nele também.”
Embora 55 Cancri e seja demasiado quente para ser habitável, os investigadores pensam que poderá fornecer uma janela única para estudar as interações entre atmosferas, superfícies e interiores de planetas rochosos, e talvez fornecer informações sobre as condições iniciais da Terra, Vênuse Marte, que se acredita terem sido cobertos por oceanos de magma no passado distante. “Em última análise, queremos compreender que condições tornam possível a um planeta rochoso sustentar uma atmosfera rica em gás: um ingrediente chave para um planeta habitável”, disse Hu.
Esta pesquisa foi conduzida como parte do Programa de Observadores Gerais (GO) de 1952 de Webb. A análise de observações adicionais do eclipse secundário de 55 Cancri e está atualmente em andamento.
Renyu Hu, Aaron Bello-Arufe, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christiaan van Buchem, Michael Bess, Jayshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Scheucher, Apurva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandeker e Brice-Olivier Demory, 8 de maio de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07432-x
O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório de ciências espaciais do mundo. Webb está resolvendo mistérios em nosso sistema solar, olhando além, para mundos distantes em torno de outras estrelas, e investigando as misteriosas estruturas e origens de nosso universo e nosso lugar nele. Webb é um programa internacional liderado pela NASA com seus parceiros, a ESA (Agência Espacial Europeia) e a Agência Espacial Canadense.
