Este conceito artístico mostra como poderia ser o exoplaneta gigante de gás quente WASP-43 b. WASP-43 b é um planeta do tamanho de Júpiter que orbita uma estrela a cerca de 280 anos-luz de distância, na constelação de Sextans. O planeta orbita a uma distância de cerca de 1,3 milhões de milhas (0,014 unidades astronômicas, ou UA), completando um circuito em cerca de 19,5 horas. Por estar tão perto de sua estrela, WASP-43 b provavelmente está bloqueado por maré: sua taxa de rotação e período orbital são os mesmos, de modo que um lado fica sempre voltado para a estrela. Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
WASP-43 b está nublado à noite e claro durante o dia, com ventos equatoriais uivando ao redor do planeta a 8.000 quilômetros por hora.
Às vezes não encontrar algo é tão emocionante e útil quanto encontrá-lo. Tome quente Júpiter WASP-43b, por exemplo. Este mundo bloqueado pelas marés tem um lado diurno permanente e escaldante e um lado noturno um pouco mais frio. Os astrônomos que usam o Webb para mapear a temperatura e analisar a atmosfera ao redor do planeta esperam detectar metano, uma molécula comum de carbono, no lado noturno. Mas claramente não há sinal disso. Por que? O resultado sugere que ventos supersónicos de gás quente sopram do lado diurno, agitando completamente a atmosfera e impedindo as reações químicas que de outra forma produziriam metano no lado noturno.
Esta curva de luz mostra a mudança no brilho do sistema WASP-43 ao longo do tempo, à medida que o planeta orbita a estrela. Este tipo de curva de luz é conhecida como curva de fase porque inclui toda a órbita ou todas as fases do planeta.
Por estar travado de forma maré, diferentes lados do WASP-43 b giram à medida que ele orbita. O sistema parece mais brilhante quando o lado diurno quente está voltado para o telescópio, pouco antes e depois do eclipse secundário, quando o planeta passa atrás da estrela. O sistema fica mais escuro à medida que o planeta continua suas órbitas e o lado noturno gira para aparecer. Após o trânsito, quando o planeta passa em frente da estrela, bloqueando parte da luz estelar, o sistema volta a brilhar à medida que o lado diurno volta a ficar visível.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Universidade de Leicester)
Telescópio Espacial Webb mapeia o clima no planeta a 280 anos-luz de distância
Uma equipe internacional de pesquisadores utilizou com sucesso NASAde Telescópio Espacial James Webb mapear o clima no exoplaneta gigante de gás quente WASP-43 b.
Medições precisas de brilho em um amplo espectro de luz infravermelha média, combinadas com modelos climáticos 3D e observações anteriores de outros telescópios, sugerem a presença de nuvens altas e espessas cobrindo o lado noturno, céus claros no lado diurno e ventos equatoriais acima de 5.000 milhas. por hora misturando gases atmosféricos ao redor do planeta.
A investigação é apenas a mais recente demonstração da exoplaneta a ciência agora é possível com a extraordinária capacidade de Webb de medir variações de temperatura e detectar gases atmosféricos a trilhões de quilômetros de distância.
“Júpiter Quente” bloqueado por maré
WASP-43 b é um exoplaneta do tipo “Júpiter quente”: semelhante em tamanho a Júpiter, feito principalmente de hidrogênio e hélio, e muito mais quente do que qualquer um dos planetas gigantes do nosso sistema solar. Embora a sua estrela seja mais pequena e mais fria que o Sol, WASP-43 b orbita a uma distância de apenas 2,1 milhões de quilómetros – menos de 1/25 da distância entre Mercúrio e o Sol.
Com uma órbita tão estreita, o planeta está bloqueado pelas marés, com um lado continuamente iluminado e o outro em escuridão permanente. Embora o lado noturno nunca receba qualquer radiação direta da estrela, os fortes ventos de leste transportam o calor do lado diurno.
Desde a sua descoberta em 2011, WASP-43 b foi observado com vários telescópios, incluindo o Hubble da NASA e os agora aposentados telescópios espaciais Spitzer.
“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 Taylor Bell, pesquisador do Bay Area Environmental Research Institute e principal autor de um estudo publicado em 30 de abril em Astronomia da Natureza. “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.”
Este diagrama simplificado de uma curva de fase de exoplaneta mostra a mudança no brilho total de um sistema estrela-planeta à medida que o planeta orbita a estrela. O sistema parece mais brilhante quando uma parte maior do lado iluminado do planeta está voltada para o telescópio (fase completa). Parece mais escuro quando mais do lado escuro está voltado para o telescópio (nova fase), quando o planeta está bloqueando parte da luz das estrelas (trânsito) e quando a luz do planeta é bloqueada pela estrela (eclipse secundário).
(Topo) Diagrama que mostra a mudança na fase de um planeta (a quantidade do lado iluminado voltado para o telescópio) à medida que ele orbita sua estrela.
(Inferior) Gráfico tridimensional mostrando a mudança no brilho total do sistema estrela-planeta à medida que o planeta orbita sua estrela. Neste gráfico, conhecido como curva de luz, o plano horizontal é a localização orbital e o eixo vertical é o brilho.
(Direita) Barra de escala. Tanto no diagrama orbital quanto na curva de luz, a cor indica o brilho observado da estrela + planeta: do roxo escuro (menos quantidade de luz detectada) ao branco (mais luz detectada).
Os pesquisadores usam curvas de fase para estudar variações na refletividade e na temperatura de um planeta com a longitude (de um lado a outro), o que pode fornecer informações sobre a composição da superfície e as condições atmosféricas do planeta.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI), Andi James (STScI), Greg Bacon (STScI)
Mapeando a temperatura e inferindo o clima
Embora WASP-43 b seja muito pequeno, escuro e próximo de sua estrela para ser visto diretamente por um telescópio, seu curto período orbital de apenas 19,5 horas o torna ideal para espectroscopia de curva de fase, uma técnica que envolve a medição de pequenas mudanças no brilho do sistema estrela-planeta enquanto o planeta orbita a estrela.
Como a quantidade de luz infravermelha média emitida por um objeto depende em grande parte de quão quente ele é, os dados de brilho capturados por Webb podem então ser usados para calcular a temperatura do planeta.
A equipe usou o MIRI (Instrumento de Infravermelho Médio) de Webb para medir a luz do sistema WASP-43 a cada 10 segundos por mais de 24 horas. “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.”
As medições mostram que o lado diurno tem uma temperatura média de quase 2.300 graus Fahrenheit (1.250 graus Celsius) – quente o suficiente para forjar ferro. Enquanto isso, o lado noturno é significativamente mais frio, com 600 graus Celsius (1.100 graus Fahrenheit). Os dados também ajudam a localizar o ponto mais quente do planeta (o “ponto quente”), que está ligeiramente deslocado para leste a partir do ponto que recebe mais radiação estelar, onde a estrela está mais alta no céu do planeta. Essa mudança ocorre por causa dos ventos supersônicos, que movem o ar aquecido para o leste.
“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.
Para interpretar o mapa, a equipe usou modelos atmosféricos 3D complexos, como aqueles usados para entender o tempo e o clima na Terra. A análise mostra que o lado noturno está provavelmente coberto por uma camada espessa e alta de nuvens que impedem que parte da luz infravermelha escape para o espaço. Como resultado, o lado noturno – embora muito quente – parece mais escuro e frio do que seria se não houvesse nuvens.
Este conjunto de mapas mostra a temperatura do lado visível do exoplaneta gigante de gás quente WASP-43 b, à medida que o planeta orbita a sua estrela. As temperaturas foram calculadas com base em mais de 8.000 medições de brilho de luz infravermelha média de 5 a 12 mícrons detectadas no sistema estrela-planeta pelo MIRI (o Instrumento de Infravermelho Médio) no Telescópio Espacial James Webb da NASA. Em geral, quanto mais quente é um objeto, mais luz infravermelha média ele emite. Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Taylor Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Universidade de Leicester)
Falta de metano e ventos fortes
O amplo espectro de luz infravermelha média capturada por Webb também possibilitou medir a quantidade de vapor d’água (H2O) e metano (CH4) ao redor do planeta. “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.
Os espectros mostram sinais claros de vapor de água tanto no lado noturno como no lado diurno do planeta, fornecendo informações adicionais sobre a espessura das nuvens e a altura que se estendem na atmosfera.
Surpreendentemente, os dados também mostram uma falta de metano em qualquer lugar da atmosfera. Embora o lado diurno seja demasiado quente para a existência de metano (a maior parte do carbono deveria estar na forma de monóxido de carbono), o metano deveria ser estável e detectável no lado noturno mais frio.
“O facto de não vermos metano diz-nos que WASP-43 b 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.”
A equipa pensa que, devido a esta mistura impulsionada pelo vento, a química atmosférica é a mesma em todo o planeta, o que não era aparente em trabalhos anteriores com o Hubble e o Spitzer.
Referência: “Nuvens noturnas e química de desequilíbrio no quente Júpiter WASP-43b” por Taylor J. Bell, Nicholas Crouzet, Patrick E. Cubillos, Laura Kreidberg, Anjali AA Piette, Michael T. Roman, Joanna K. Barstow, Jasmina Blecic, Ludmila Carone, Louis-Philippe Coulombe, Elsa Ducrot, Mark Hammond, John M. Mendonza, Julianne I. Moses, Vivien Parmentier, Kevin B. Stevenson, Lucas Teinturier, Michael Zhang, Natalie M. Batalha, Jacob L. Bean, Björn Benneke , Benjamin Charnay, Katy L. Chubb, Brice-Olivier Demory, Peter Gao, Elspeth KH Lee, Mercedes Lopez-Morales, Giuseppe Morello, Emily Rauscher, David K. Singh, Xianyu Tan, Olivia Venot, Hannah R. Wakeford, Keshav Aggarwal , Eva-Maria Ahrer, Munazza K. Alam, Robin Baeyens, David Barrado, Claudio Caceres, Aarynn L. Carter, Sarah L. Casewell, Ryan C. Challener, Ian JM Crossfield, Leen Decin, Jean-Michel Desert, Ian Dobbs- Dixon, Achrene Dyrek, Nestor Espinoza, Adina D. Feinstein, Neale P. Gibson, Joseph Harrington, Christiane Helling, Renyu Hu, Nicholas Iro, Eliza M.-R. Kempton, Sarah Kendrew, Thaddeus D. Komacek, Jessica Krick, Pierre-Olivier Lagage, Jeremy Leconte, Monika Lendl, Neil T. Lewis, Joshua D. Lothringer, Isaac Malsky, Luigi Mancini, Megan Mansfield, Nathan J. Mayne, Thomas M .Kempton, Evans-Soma, Karan Molaverdikhani, Nikolay K. Nikolov, Matthew C. Nixon, Enric Palle, Dominique J.M. Steinrueck, Jake Taylor, Luis Welbanks, Sergei N. Yurchenko, Xi Zhang e Sebastian Zieba, Astronomia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02230-x
A observação MIRI de WASP-43 b foi conduzida como parte dos programas Webb Early Release Science, que estão a fornecer aos investigadores um vasto conjunto de dados robustos e de acesso aberto para estudar uma vasta gama de fenómenos cósmicos.
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.
