Exoplaneta com densidade baixíssima teve atmosfera analisada pelo JWST. Descobertas ajudam a entender processor ocorrendo em planetas com características semelhantes.
Existe um tipo de exoplaneta “fofinho e inchado”: geralmente, eles têm o mesmo tamanho de Júpiter, mas apenas um décimo de sua massa. Eles tendem a orbitar muito perto da estrela hospedeira e são muito quentes. Porém, foi encontrado um exoplaneta diferente do normal, o WASP-107b. Acredita-se que esse exoplaneta com massa de Netuno seja mais frio e ainda tenha uma densidade menor.
Ele tem mais de três quartos do volume de Júpiter, mas, como a maioria dos planetas “fofos”, tem um décimo da massa, o que o torna um dos planetas menos densos conhecidos. No entanto, sua propriedade incomum é que, enquanto a maioria desses planetas é quente, o WASP-107b é relativamente frio. Isso vai contra as observações iniciais que também sugeriam que, devido à sua massa, raio e idade, ele deveria ter um pequeno núcleo rochoso com uma atmosfera rica em hidrogênio e hélio.
Duas equipes independentes de pesquisadores apresentaram explicações. Dados coletados pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST), combinados com observações anteriores do Telescópio Espacial Hubble (HST), mostram surpreendentemente pouco metano na atmosfera do planeta, indicando que o interior do WASP-107b deve ser significativamente mais quente e o núcleo muito mais maciço do que o estimado anteriormente.
“WASP-107b é um alvo muito interessante para o Webb porque é significativamente mais frio e mais parecido com Netuno em massa do que muitos dos outros planetas de baixa densidade, os Júpiteres quentes, que temos estudado”, comentou David Sing, da Universidade Johns Hopkins (JHU), autor principal de um estudo publicado na Nature. “Como resultado, devemos ser capazes de detectar metano e outras moléculas que podem nos dar informações sobre sua química e dinâmica interna que não podemos obter de um planeta mais quente.”
“Era difícil entender como um núcleo tão pequeno poderia acumular tanto gás e, em seguida, parar de crescer e se transformar em um planeta da massa de Júpiter”, explicou Luis Welbanks, da Universidade Estadual do Arizona (ASU), EUA, principal autor do outro artigo, também publicado na Nature.
Luz e moléculas A orientação da órbita, que faz com que ele passe na frente da estrela no nosso ponto de vista. Assim, podemos estudar a atmosfera do planeta examinando a luz da estrela que passa por ela. Essa técnica, chamada espectroscopia de transmissão, pode identificar as assinaturas de gases no espectro da estrela.
Usando a Câmera de Infravermelho Próximo (NIRCam) e o Instrumento de Infravermelho Médio (MIRI) do JWST e dados da Câmera de Campo Amplo 3 (WFC3) do Hubble, a equipe de Welbanks conseguiu criar um amplo espectro de luz de 0,8 a 12,2 mícrons absorvida pela atmosfera do planeta. Com o Espectrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRSpec) do JWST, a equipe de Sing construiu um espectro independente que abrange de 2,7 a 5,2 mícrons. A precisão dos dados torna possível não apenas detectar, mas também medir a quantidade de uma variedade de de moléculas, incluindo vapor de água, metano, dióxido de carbono, monóxido de carbono, dióxido de enxofre e amônia.
Essas pesquisas revelaram que o planeta tinha apenas cerca de um milésimo do metano esperado para sua temperatura. Também forneceram evidências de que o gás quente de altitudes menores estava se misturando com camadas de gás mais altas e mais frias.
“Essa é uma evidência de que o gás quente das profundezas do planeta deve estar se misturando vigorosamente com as camadas mais frias mais acima”, explicou Sing. “O metano é instável em altas temperaturas. [As ligações entre hidrogênio o carbono se rompem, o que não acontece com outras moléculas baseadas em carbono à mesma temperatura.] O fato de termos detectado tão pouco, apesar de termos detectado outras moléculas que contêm carbono, nos diz que o interior do planeta deve ser significativamente mais quente do que pensávamos.”
Marés Várias hipóteses foram formuladas para explicar as propriedades de WASP-107b. Uma é que ele tinha mais massa em seu núcleo do que o esperado. Assim, é provável que a atmosfera tenha se contraído à medida que o planeta esfriava. Com o tempo, sem uma fonte de calor para fazer a atmosfera se expandir, o planeta deveria ser muito menor do que o observado. Embora o planeta orbite a estrela a uma distância de pouco mais de 8 milhões de quilômetros (cerca de um sétimo da distância média entre Mercúrio e o Sol), ele ainda não obtém energia suficiente para impulsionar a inflação da atmosfera.
Outra hipótese, mais aceita é que as temperaturas internas mais altas são geradas por marés. (Algo parecido acontece em Io, lua de Júpiter que sofre grandes forças de maré do planeta.) WASP-107b tem uma órbita ligeiramente elíptica, variando consideravelmente a distância até sua estrela hospedeira durante o período orbital de 5,7 dias. A atração gravitacional também está mudando constantemente, “esticando e esmagando” o planeta e aquecendo-o.
Pesquisadores já haviam proposto que o aquecimento das marés poderia ser a causa do inchaço do WASP-107 b, mas até a chegada dos resultados do Webb, não havia provas.
Depois de estabelecerem que o planeta tem calor interno suficiente para agitar a atmosfera, as equipes perceberam que os espectros também poderiam fornecer uma nova maneira de estimar o tamanho do núcleo.
“Se soubermos quanta energia há no planeta e que proporção do planeta é composta por elementos mais pesados, como carbono, nitrogênio, oxigênio e enxofre, e quanto é composta por hidrogênio e hélio, poderemos calcular quanta massa deve haver no núcleo”, explicou Daniel Thorngren, da JHU.
E o núcleo tem pelo menos o dobro da massa estimada antes, o que corrobora com o modelo de formação planetária.
“Os dados do Webb nos dizem que planetas como o WASP-107 b não precisaram 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 pouco gás, aumentar a temperatura e fazer com que ele tenha a aparência que tem.”
Compreender a fonte de calor no WASP-107b ajudou a equipe a aprender mais sobre suas propriedades e os processos que ocorrem em planetas semelhantes. Saber a quantidade de energia existente ajuda a determinar as proporções de outros elementos, como carbono, nitrogênio, oxigênio e enxofre. Esse cálculo ajuda a determinar a massa do núcleo que, de acordo com os estudos recentes, é duas vezes maior do que o estimado originalmente.