Pesquisadores do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, estão criando uma atmosfera estranha aqui mesmo na Terra. Em um novo estudo, Os cientistas do JPL usaram um "forno" de alta temperatura para aquecer uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono a mais de 2, 000 graus Fahrenheit (1, 100 Celsius), sobre a temperatura da lava derretida. O objetivo era simular as condições que poderiam ser encontradas na atmosfera de uma classe especial de exoplanetas (planetas fora do nosso sistema solar) chamados "Júpiteres quentes".

Júpiteres quentes são gigantes gasosos que orbitam muito perto de sua estrela-mãe, ao contrário de qualquer um dos planetas do nosso sistema solar. Enquanto a Terra leva 365 dias para orbitar o Sol, Júpiteres quentes orbitam suas estrelas em menos de 10 dias. A proximidade de uma estrela significa que suas temperaturas podem variar de 1, 000 a 5, 000 graus Fahrenheit (530 a 2, 800 graus Celsius) ou ainda mais quente. Por comparação, um dia quente na superfície de Mercúrio (que leva 88 dias para orbitar o Sol) atinge cerca de 800 graus Fahrenheit (430 graus Celsius).

"Embora seja impossível simular exatamente em laboratório esses ambientes hostis de exoplanetas, podemos chegar muito perto, "disse o cientista principal do JPL Murthy Gudipati, quem lidera o grupo que conduziu o novo estudo, publicado no mês passado no Astrophysical Journal .

A equipe começou com uma mistura química simples composta principalmente de gás hidrogênio e 0,3% de monóxido de carbono. Essas moléculas são extremamente comuns no universo e nos primeiros sistemas solares, e eles poderiam razoavelmente compor a atmosfera de um Júpiter quente. Em seguida, a equipe aqueceu a mistura entre 620 e 2, 240 graus Fahrenheit (330 e 1, 230 Celsius).

A equipe também expôs a mistura de laboratório a uma alta dose de radiação ultravioleta - semelhante ao que um Júpiter quente experimentaria orbitando tão perto de sua estrela-mãe. A luz ultravioleta provou ser um ingrediente potente. Foi em grande parte responsável por alguns dos resultados mais surpreendentes do estudo sobre a química que pode estar ocorrendo nessas atmosferas tostadas.

Júpiteres quentes são grandes para os padrões do planeta, e eles irradiam mais luz do que planetas mais frios. Esses fatores permitiram aos astrônomos coletar mais informações sobre suas atmosferas do que a maioria dos outros tipos de exoplanetas. Essas observações revelam que muitas atmosferas quentes de Júpiter são opacas em grandes altitudes. Embora as nuvens possam explicar a opacidade, eles se tornam cada vez menos sustentáveis ​​à medida que a pressão diminui, e a opacidade foi observada onde a pressão atmosférica é muito baixa.

Os cientistas têm procurado explicações potenciais além das nuvens, e aerossóis - partículas sólidas suspensas na atmosfera - poderiam ser um. Contudo, de acordo com os pesquisadores do JPL, os cientistas não tinham conhecimento de como os aerossóis podem se desenvolver nas atmosferas quentes de Júpiter. No novo experimento, adicionar luz ultravioleta à mistura química quente resolveu o problema.

"Este resultado muda a forma como interpretamos as nebulosas atmosferas quentes de Júpiter, "disse Benjamin Fleury, um cientista pesquisador do JPL e principal autor do estudo. "Daqui para frente, queremos estudar as propriedades desses aerossóis. Queremos entender melhor como eles se formam, como eles absorvem a luz e como eles respondem às mudanças no ambiente. Todas essas informações podem ajudar os astrônomos a entender o que estão vendo quando observam esses planetas. "

O estudo rendeu outra surpresa:as reações químicas produziram quantidades significativas de dióxido de carbono e água. Embora o vapor de água tenha sido encontrado nas atmosferas quentes de Júpiter, a maioria dos cientistas espera que essa preciosa molécula se forme apenas quando houver mais oxigênio do que carbono. O novo estudo mostra que a água pode se formar quando o carbono e o oxigênio estão presentes em quantidades iguais. (O monóxido de carbono contém um átomo de carbono e um átomo de oxigênio.) E enquanto algum dióxido de carbono (um átomo de carbono e dois átomos de oxigênio) se formou sem a adição de radiação UV, as reações se aceleraram com a adição da luz estelar simulada.

"Esses novos resultados são imediatamente úteis para interpretar o que vemos nas atmosferas quentes de Júpiter, "disse o cientista do exoplaneta JPL Mark Swain, um co-autor do estudo. "Presumimos que a temperatura domina a química nessas atmosferas, mas isso mostra que precisamos olhar como a radiação desempenha um papel. "

Com ferramentas de última geração, como o Telescópio Espacial James Webb da NASA, previsto para ser lançado em 2021, cientistas podem produzir os primeiros perfis químicos detalhados de atmosferas de exoplanetas, e é possível que alguns desses primeiros sujeitos sejam Júpiteres quentes. Esses estudos ajudarão os cientistas a aprender como outros sistemas solares se formam e como eles são semelhantes ou diferentes ao nosso.

Para os pesquisadores do JPL, o trabalho apenas começou. Ao contrário de um forno típico, eles sela o gás firmemente para evitar vazamentos ou contaminação, e permite que os pesquisadores controlem a pressão do gás à medida que a temperatura sobe. Com este hardware, eles agora podem simular atmosferas de exoplanetas em temperaturas ainda mais altas:perto de 3, 000 graus Fahrenheit (1, 600 graus Celsius).

"Tem sido um desafio constante descobrir como projetar e operar este sistema com sucesso, uma vez que a maioria dos componentes padrão, como vidro ou alumínio, derretem a essas temperaturas, "disse a cientista pesquisadora do JPL Bryana Henderson, coautor do estudo. "Ainda estamos aprendendo como ultrapassar esses limites e, ao mesmo tempo, manusear com segurança esses processos químicos no laboratório. Mas, no final do dia, os resultados empolgantes dessas experiências valem todo o esforço extra. "