Telescópio Webb faz primeira detecção inequívoca de dióxido de carbono em uma atmosfera de exoplaneta

O Telescópio Espacial James Webb está ajudando os astrônomos a caracterizar as atmosferas de planetas muito diferentes das do nosso Sistema Solar.

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Esta ilustração mostra como poderia ser o exoplaneta WASP-39b, com base na compreensão atual do planeta. (Créditos: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted)

Traduzido por Julio Batista
Original de Tim Stephens para a Universidade da Califórnia – Santa Cruz

Pela primeira vez, os astrônomos encontraram evidências inequívocas de dióxido de carbono na atmosfera de um exoplaneta (um planeta fora do nosso Sistema Solar).

A descoberta, aceita para publicação na Nature e publicada online em 25 de agosto, demonstra o poder do Telescópio Espacial James Webb (JWST) para fornecer observações sem precedentes de atmosferas de exoplanetas.

Natalie Batalha, professora de astronomia e astrofísica da UC Santa Cruz, lidera a equipe de astrônomos que fez a detecção, usando o JWST para observar um planeta com a massa de Saturno chamado WASP-39b que orbita muito perto de uma estrela parecida com o Sol a cerca de 700 anos da Terra.

“Observações anteriores deste planeta com o Hubble e o Spitzer nos deram pistas tentadoras de que o dióxido de carbono pode estar presente”, disse Batalha. “Os dados do JWST mostraram uma característica inequívoca de dióxido de carbono que era tão proeminente que praticamente gritava conosco”.

O dióxido de carbono é um componente importante das atmosferas dos planetas do nosso Sistema Solar, encontrado em planetas rochosos como Marte e Vênus, bem como gigantes gasosos como Júpiter e Saturno. Para os pesquisadores de exoplanetas, é importante tanto como um gás que eles provavelmente serão capazes de detectar em pequenos planetas rochosos quanto como um indicador da abundância geral de elementos pesados ​​nas atmosferas de planetas gigantes.

Um espectro de transmissão do exoplaneta gigante de gás quente WASP-39 b capturado pelo Espectrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRSpec) do JWST em 10 de julho de 2022, revela a primeira evidência clara de dióxido de carbono em um planeta fora do Sistema Solar. Tradução da imagem: exoplaneta de gás quente gigante (hot gas giant exoplanet), composição da atmosfera (atmosphere composition), dióxido de carbonp (carbon dioxide), quantidade de luz bloqueada (amount of light blocked), comprimento de ondas da luz (wavelenght of light) e modelo que melhor se adequa (best-fit model). (Créditos: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph Olmsted (STScI))

“O dióxido de carbono é na verdade uma vara de medição muito sensível – a melhor que temos – para elementos pesados ​​em atmosferas de planetas gigantes, então o fato de podermos vê-lo tão claramente é realmente ótimo”, disse o coautor Jonathan Fortney, professor de astronomia e astrofísica na UCSC e diretor do Laboratório de Outros Mundos.

Estrelas e planetas gigantes gasosos são feitos principalmente dos elementos mais leves, hidrogênio e hélio, mas a abundância de elementos mais pesados ​​- o que os astrônomos chamam de “metalicidade” – é um fator crítico na formação do planeta, explicou Fortney.

“A capacidade de determinar a quantidade de elementos pesados ​​em um planeta é fundamental para entender como ele se formou, e poderemos usar este medidor de dióxido de carbono para um monte de exoplanetas a fim de construir uma compreensão abrangente da composição de planetas gigantes”, disse ele.

A equipe de Batalha observou o WASP-39b como parte de um programa do JWST chamado Early Release Science para estudar exoplanetas em trânsito. Um planeta em trânsito passa na frente de sua estrela visto da Terra, permitindo que os astrônomos analisem a luz estelar que passa pela atmosfera do planeta, onde gases como o dióxido de carbono absorvem certos comprimentos de onda de luz.

Usando o Espectrógrafo de Infravermelho Próximo’ (NIRSpec) no JWST, a equipe obteve um “espectro de transmissão” de alta resolução mostrando a luz transmitida através da atmosfera do WASP-39b separada em seus comprimentos de onda componentes. Batalha disse que os dados produziram “curvas de luz requintadas” e mostraram que o instrumento NIRSpec está superando as expectativas para espectroscopia de transmissão. Isso é um bom presságio para observações de pequenos planetas rochosos, que devem ter dióxido de carbono em suas atmosferas (quando têm atmosferas), mas não fornecerão um sinal tão forte quanto um planeta gigante como WASP-39b.

Uma série de curvas de luz do Espectrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRSpec) da Webb mostra a mudança no brilho de três diferentes comprimentos de onda (cores) da luz do sistema estelar WASP-39 ao longo do tempo, à medida que o planeta transitava pela estrela em 10 de julho de 2022. Tradução da imagem: exoplaneta gigante de gás quente (hot gas giant exoplanet), curva da luz transitiva (transit light curve), brilho relative (relative brightness), luz estelar (starlight), luz estelar bloqueada pelo planeta e sua atmosfera (starlight blocked by the planet and its atmosphere), comprimento de ondas [cor] da luz medida (wavelenght of light measured), hora em Baltimore, Maryland (time in Baltimore, Maryland), julho (july), atmosfera do planeta bloqueia mais dessa cor por causa da absorção do CO2 (planet’s atmosphere blocks more of this color because of absorption by CO2) e atmosfera do planeta bloqueia menos dessa cor (planet’s atmosphere blocks less of this color). (Créditos: Ilustração – NASA, ESA, CSA e L. Hustak (STScI); Ciência – Equipe do Early Release Science)

“Esta detecção servirá como uma referência útil do que podemos fazer para detectar dióxido de carbono em planetas terrestres daqui para frente”, disse Batalha. “É o gás atmosférico mais provável que detectaremos com o JWST em atmosferas de exoplanetas de tamanho terrestre.”

Além do dióxido de carbono, os pesquisadores detectaram outra característica interessante no espectro do WASP-39b que ainda não identificaram. “É um recurso misterioso por enquanto”, disse Batalha. “Neste paper, nos concentramos em uma faixa estreita de cores infravermelhas – esta é apenas uma prévia dos recursos que esperamos ver em todo o espectro.”

Fortney observou que o WASP-39b parece ter uma composição semelhante à de Saturno. A metalicidade de Saturno é 10 vezes maior que a do Sol, e o WASP-39b também parece ser rico em elementos pesados ​​cerca de 10 vezes em relação ao Sol.

“Isso é superinteressante, e adoraríamos saber se todos os planetas com massa de Saturno têm a mesma metalicidade”, disse ele. “Foi emocionante ver isso em outro sistema, porque não sabíamos o que esperar quando passamos dos planetas do nosso Sistema Solar para as atmosferas dos exoplanetas.”

Localizado na constelação de Virgem, o WASP-39b está mais de 20 vezes mais próximo de sua estrela do que a Terra está do Sol. Embora tenha aproximadamente a mesma massa de Saturno, é menos denso e cerca de 50% maior, provavelmente devido ao aquecimento por estar tão próximo de sua estrela hospedeira. Observações anteriores mostraram que ele tem céus relativamente claros, tornando-o um bom alvo para espectroscopia de transmissão.

Quando os primeiros dados do JWST foram divulgados em julho, os pesquisadores de exoplanetas da UCSC estavam hospedando 45 astrônomos visitantes para o Programa Anual de Verão de Exoplanetas do Laboratório de Outros Mundos. “Estávamos todos amontoados em torno do laptop, dando nossa primeira olhada no espectro e nos maravilhando com isso”, disse Batalha. “É uma sensação incrível, quase eufórica, ver algo pela primeira vez que nenhum outro humano viu antes – é disso que se trata a ciência.”