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O gigante gasoso quente WASP-107 b, conhecido pela sua densidade invulgarmente baixa e temperatura moderada, pode ter a sua atmosfera inchada devido ao aquecimento das marés que aquece o seu interior mais do que se pensava anteriormente. (Conceito do artista.) Crédito: SciTechDaily.com
Uma surpreendente deficiência de metano sugere que o aquecimento das marés inflou a atmosfera do gigante gasoso quente WASP-107 b.
Por que o gigante gasoso quente exoplaneta WASP-107 b tão, tão inchado? Com uma temperatura moderada e uma densidade ultrabaixa, equivalente a um marshmallow cozido no micro-ondas, parece desafiar as teorias padrão de formação e evolução planetária.
Duas equipes independentes de pesquisadores acham que descobriram isso. Dados do Webb, combinados com observações anteriores do Hubble, mostram que o interior do WASP-107 b deve ser muito mais tostado do que o estimado anteriormente. A temperatura inesperadamente elevada, que se pensa ser causada pelas forças das marés que esticam o planeta como uma massa tola, pode explicar como planetas como WASP-107 b podem ser tão fofos, possivelmente resolvendo um mistério de longa data na ciência dos exoplanetas.
Este conceito artístico mostra como poderia ser o exoplaneta WASP-107 b com base em dados recentes recolhidos pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA, juntamente com observações anteriores do Hubble e de outros telescópios espaciais e terrestres. WASP-107 b é um exoplaneta “Netuno quente” que orbita uma estrela relativamente pequena e fria a aproximadamente 210 anos-luz da Terra, na constelação de Virgem. O planeta tem cerca de 80% do tamanho de Júpiter em termos de volume, mas tem uma massa inferior a 10% de Júpiter, o que o torna um dos exoplanetas menos densos conhecidos. Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Telescópio espacial Webb quebra caso de exoplaneta inflado
Por que o exoplaneta gigante gasoso quente WASP-107 b é tão inchado? Duas equipas de investigação independentes têm agora uma resposta.
Dados coletados usando o Telescópio Espacial James Webb da NASA, combinados com observações anteriores do Telescópio Espacial Hubble da NASA, mostram surpreendentemente pouco metano (CH4) na atmosfera do planeta. Isto indica que o interior do WASP-107 b deve ser significativamente mais quente e o núcleo muito mais massivo do que o estimado anteriormente.
Acredita-se que a temperatura inesperadamente alta seja resultado do aquecimento das marés causado pela órbita ligeiramente não circular do planeta, e pode explicar como WASP-107 b pode ser tão inflado sem recorrer a teorias extremas sobre como se formou.
Os resultados, que foram possíveis graças à extraordinária sensibilidade de Webb e à capacidade que a acompanha de medir a luz que passa pelas atmosferas dos exoplanetas, podem explicar o inchaço de dezenas de exoplanetas de baixa densidade, ajudando a resolver um mistério de longa data na ciência dos exoplanetas.
O problema com WASP-107b
Mais de três quartos do volume de Júpiter mas menos de um décimo da massa, o “quente Netuno”O exoplaneta WASP-107 b é um dos planetas menos densos conhecidos. Embora os planetas inchados não sejam incomuns, a maioria é mais quente e mais massiva e, portanto, mais fácil de explicar.
“Com base em seu raio, massa, idade e temperatura interna presumida, pensamos que WASP-107 b tinha um núcleo rochoso muito pequeno cercado por uma enorme massa de hidrogênio e hélio”, explicou Luis Welbanks da Arizona State University (ASU). autor principal de artigo publicado em 20 de maio na revista Natureza. “Mas era difícil compreender como é que um núcleo tão pequeno conseguia absorver tanto gás e depois parar de se transformar totalmente num planeta com a massa de Júpiter.”
Este espectro de transmissão, capturado pelos telescópios espaciais Hubble e James Webb da NASA, mostra as quantidades de diferentes comprimentos de onda (cores) da luz estelar bloqueada pela atmosfera do exoplaneta gigante gasoso WASP-107 b.
O espectro inclui luz coletada em cinco observações separadas usando um total de três instrumentos diferentes: WFC3 de Hubble (0,8–1,6 mícrons), NIRCam de Webb (2,4–4,0 mícrons e 3,9–5,0 mícrons) e MIRI de Webb (5–12 mícrons). Cada conjunto de medições foi feito observando o sistema planeta-estrela durante cerca de 10 horas antes, durante e depois do trânsito, à medida que o planeta se movia ao longo da face da estrela.
Ao comparar o brilho da luz filtrada pela atmosfera do planeta (luz transmitida) com a luz estelar não filtrada, é possível calcular a quantidade de cada comprimento de onda que é bloqueado pela atmosfera. Como cada molécula absorve uma combinação única de comprimentos de onda, o espectro de transmissão pode ser usado para restringir a abundância de vários gases.
Este espectro mostra evidências claras de água (H2O), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), metano (CH4), dióxido de enxofre (SO2) e amônia (NH3) na atmosfera do planeta, permitindo aos pesquisadores estimar o interior temperatura e massa do núcleo.
Esta cobertura de comprimento de onda do óptico ao infravermelho médio é a mais ampla de qualquer espectro de transmissão de exoplaneta até o momento e inclui a primeira detecção relatada de amônia por telescópio espacial em uma atmosfera de exoplaneta.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Luis Welbanks (ASU), equipe JWST MANATEE
Se WASP-107 b tivesse mais massa no núcleo, a atmosfera deveria ter se contraído à medida que o planeta esfriou ao longo do tempo, desde que se formou. Sem uma fonte de calor para reexpandir o gás, o planeta deveria ser muito menor. Embora WASP-107 b tenha uma distância orbital de apenas 8 milhões de quilómetros (um sétimo da distância entre Mercúrio e o Sol), não recebe energia suficiente da sua estrela para ser tão inflado.
“WASP-107 b é um alvo muito interessante para Webb porque é significativamente mais frio e tem massa mais semelhante a Netuno do que muitos dos outros planetas de baixa densidade, os Júpiteres quentes, que temos estudado”, disse David Sing, do Johns. Universidade Hopkins (JHU), autor principal de um estudo paralelo também publicado hoje em Natureza. “Como resultado, deveremos ser capazes de detectar metano e outras moléculas que podem nos fornecer informações sobre a sua química e dinâmica interna que não conseguiríamos obter num planeta mais quente.”
Uma riqueza de moléculas anteriormente indetectáveis
O raio gigante, a atmosfera estendida e a órbita lateral do WASP-107 b tornam-no ideal para espectroscopia de transmissão, um método usado para identificar os vários gases na atmosfera de um exoplaneta com base em como eles afetam a luz das estrelas.
Combinando observações da NIRCam (câmera infravermelha próxima) de Webb, do MIRI (instrumento infravermelho médio) de Webb e da WFC3 (câmera de campo amplo 3) do Hubble, a equipe de Welbanks foi capaz de construir um amplo espectro de luz absorvida de 0,8 a 12,2 mícrons. pela atmosfera de WASP-107 b. Usando o NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) de Webb, a equipe de Sing construiu um espectro independente cobrindo 2,7 a 5,2 mícrons.
A precisão dos dados torna possível não apenas detectar, mas também medir a abundância de uma grande variedade de moléculas, incluindo vapor de água (H2O), metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), dióxido de enxofre (SO2) e amônia (NH3).
Este espectro de transmissão, capturado usando o NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) de Webb, mostra as quantidades de diferentes comprimentos de onda (cores) da luz estelar no infravermelho próximo bloqueada pela atmosfera do exoplaneta gigante gasoso WASP-107 b.
O espectro foi feito observando o sistema planeta-estrela durante cerca de 8,5 horas antes, durante e depois do trânsito, à medida que o planeta se movia ao longo da face da estrela.
Ao comparar o brilho da luz filtrada pela atmosfera do planeta (luz transmitida) com a luz estelar não filtrada, é possível calcular a quantidade de cada comprimento de onda que é bloqueado pela atmosfera. Como cada molécula absorve uma combinação única de comprimentos de onda, o espectro de transmissão pode ser usado para restringir a abundância de vários gases.
Este espectro mostra evidências claras de água (H2O), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), metano (CH4) e dióxido de enxofre (SO2) na atmosfera do planeta, permitindo aos pesquisadores estimar a temperatura interior e a massa do essencial.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), David Sing (JHU), NIRSpec GTO Transiting Exoplanet Team
Gás turbulento, interior quente e núcleo enorme
Ambos os espectros mostram uma surpreendente falta de metano na atmosfera de WASP-107 b: um milésimo da quantidade esperada com base na temperatura assumida.
“Esta é uma evidência de que o gás quente das profundezas do planeta deve estar a misturar-se vigorosamente com as camadas mais frias mais acima,” explicou Sing. “O metano é instável em altas temperaturas. O facto de termos detetado tão pouco, apesar de termos detetado outras moléculas contendo carbono, diz-nos que o interior do planeta deve ser significativamente mais quente do que pensávamos.”
Uma provável fonte de energia interna extra do WASP-107 b é o aquecimento das marés causado pela sua órbita ligeiramente elíptica. Com a distância entre a estrela e o planeta mudando continuamente ao longo da órbita de 5,7 dias, a atração gravitacional também está mudando, esticando o planeta e aquecendo-o.
Os pesquisadores já haviam proposto que o aquecimento das marés poderia ser a causa do inchaço do WASP-107 b, mas até que os resultados do Webb fossem divulgados, não havia evidências.
Depois de estabelecerem que o planeta tem calor interno suficiente para agitar completamente a atmosfera, as equipas perceberam que os espectros também poderiam fornecer uma nova forma de estimar o tamanho do núcleo.
“Se soubermos quanta energia existe no planeta, e soubermos que proporção do planeta é composta por elementos mais pesados como carbono, nitrogênio, oxigênio e enxofre, versus quanto é hidrogênio e hélio, podemos calcular quanta massa deve haver em o núcleo”, explicou Daniel Thorngren da JHU.
Acontece que o núcleo tem pelo menos duas vezes a massa do inicialmente estimado, o que faz mais sentido em termos de como os planetas se formam.
No geral, WASP-107 b não é tão misterioso como parecia antes.
“Os dados do Webb dizem-nos que planetas como WASP-107 b não tiveram de se formar de uma forma estranha, com um núcleo superpequeno e um enorme envelope gasoso,” explicou Mike Line da ASU. “Em vez disso, podemos pegar algo mais parecido com Netuno, com muita rocha e menos gás, apenas aumentar a temperatura e aumentar para ter a aparência que tem.”
Referência: “Um alto fluxo de calor interno e um grande núcleo em um exoplaneta quente de Netuno” por Luis Welbanks, Taylor J. Bell, Thomas G. Beatty, Michael R. Line, Kazumasa Ohno, Jonathan J. Fortney, Everett Schlawin, Thomas P. Greene, Emily Rauscher, Peter McGill, Matthew Murphy, Vivien Parmentier, Yao Tang, Isaac Edelman, Sagnick Mukherjee, Lindsey S. Wiser, Pierre-Olivier Lagage, Achrène Dyrek e Kenneth E. Arnold, 20 de maio de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07514-w
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 por NASA com os seus parceiros, a ESA (Agência Espacial Europeia) e CSA (Agência Espacial Canadense).