Quando o telescópio espacial James Webb da NASA for lançado em 2021, uma de suas contribuições mais esperadas para a astronomia será o estudo de exoplanetas - planetas orbitando estrelas distantes. Entre as questões mais urgentes na ciência dos exoplanetas está:Pode um pequeno, exoplaneta rochoso orbitando perto de uma estrela anã vermelha mantém uma atmosfera?

Em uma série de quatro artigos no Astrophysical Journal , uma equipe de astrônomos propõe um novo método de uso de Webb para determinar se um exoplaneta rochoso tem atmosfera. A tecnica, que envolve a medição da temperatura do planeta à medida que ele passa por trás de sua estrela e depois volta à vista, é significativamente mais rápido do que os métodos mais tradicionais de detecção atmosférica, como espectroscopia de transmissão.

"Descobrimos que Webb poderia facilmente inferir a presença ou ausência de uma atmosfera em torno de uma dúzia de exoplanetas rochosos conhecidos com menos de 10 horas de observação por planeta, "disse Jacob Bean, da Universidade de Chicago, um co-autor em três dos artigos.

Os astrônomos estão particularmente interessados ​​em exoplanetas orbitando estrelas anãs vermelhas por uma série de razões. Essas estrelas, que são menores e mais frios que o sol, são o tipo de estrela mais comum em nossa galáxia. Também, porque uma anã vermelha é pequena, um planeta passando na frente dele parecerá bloquear uma fração maior da luz da estrela do que se a estrela fosse maior, como nosso sol. Isso torna o planeta orbitando uma anã vermelha mais fácil de detectar por meio dessa técnica de "trânsito".

As anãs vermelhas também produzem muito menos calor do que o nosso sol, então, para desfrutar de temperaturas habitáveis, um planeta precisaria orbitar bem perto de uma estrela anã vermelha. Na verdade, para estar na zona habitável - a área ao redor da estrela onde água líquida poderia existir na superfície de um planeta - o planeta tem que orbitar muito mais perto da estrela do que Mercúrio está do sol. Como resultado, ele transitará pela estrela com mais frequência, tornando as observações repetidas mais fáceis.

Mas um planeta orbitando tão perto de uma anã vermelha está sujeito a condições adversas. Jovens anãs vermelhas são muito ativas, explodindo explosões enormes e erupções de plasma. A estrela também emite um forte vento de partículas carregadas. Todos esses efeitos podem potencialmente destruir a atmosfera de um planeta, deixando para trás uma rocha nua.

"A perda atmosférica é a ameaça existencial número um para a habitabilidade dos planetas, "disse Bean.

Outra característica fundamental dos exoplanetas orbitando perto das anãs vermelhas é fundamental para a nova técnica:eles devem ser bloqueados por maré, o que significa que eles têm um lado diurno e um lado noturno permanentes. Como resultado, vemos diferentes fases do planeta em diferentes pontos de sua órbita. Quando cruza a face da estrela, vemos apenas o lado noturno do planeta. Mas quando está prestes a cruzar atrás da estrela (um evento conhecido como eclipse secundário), ou está apenas emergindo de trás da estrela, podemos observar o lado diurno.

Se um exoplaneta rochoso não tiver atmosfera, seu lado diurno estaria muito quente, assim como vemos com a Lua ou Mercúrio. No entanto, se um exoplaneta rochoso tem uma atmosfera, espera-se que a presença dessa atmosfera baixe a temperatura diurna que Webb medirá. Ele poderia fazer isso de duas maneiras. Uma atmosfera espessa pode transportar calor do lado diurno para o noturno através dos ventos. Uma atmosfera mais fina ainda pode hospedar nuvens, que refletem uma parte da luz das estrelas que se aproxima, diminuindo assim a temperatura do lado diurno do planeta.

"Sempre que você adiciona uma atmosfera, você vai baixar a temperatura do lado diurno. Então, se virmos algo mais legal do que rocha nua, inferiríamos que é provavelmente um sinal de atmosfera, "explicou Daniel Koll, do Massachusetts Institute of Technology (MIT), o autor principal em dois dos artigos.

O Webb é ideal para fazer essas medições porque tem um espelho muito maior do que outros telescópios, como o Hubble da NASA ou os telescópios espaciais Spitzer, o que permite coletar mais luz, e pode ter como alvo os comprimentos de onda infravermelhos apropriados.

Os cálculos da equipe mostram que Webb deve ser capaz de detectar a assinatura de calor da atmosfera de um planeta em um ou dois eclipses secundários - apenas algumas horas de observação. Em contraste, detectar uma atmosfera por meio de observações espectroscópicas normalmente exigiria oito ou mais trânsitos para esses mesmos planetas.

Espectroscopia de transmissão, que estuda a luz das estrelas filtrada pela atmosfera do planeta, também sofre interferência devido a nuvens ou neblinas, que pode mascarar as assinaturas moleculares da atmosfera. Nesse caso, o gráfico espectral, em vez de mostrar linhas de absorção pronunciadas devido às moléculas, seria essencialmente plano.

"Em espectroscopia de transmissão, se você obtiver uma linha reta, não te diz nada. A linha plana pode significar que o universo está cheio de planetas mortos que não têm atmosfera, ou que o universo está cheio de planetas que têm toda uma gama diversa, atmosferas interessantes, mas todos parecem iguais para nós porque são nublados, "disse Eliza Kempton da Universidade de Maryland, um co-autor em três dos artigos.

"Atmosferas de exoplanetas sem nuvens e neblinas são como unicórnios - nós apenas não os vimos ainda, e eles podem nem existir, " ela adicionou.

A equipe enfatizou que uma temperatura ao lado do dia mais fria do que o esperado seria uma pista importante, mas não confirmaria absolutamente a existência de uma atmosfera. Quaisquer dúvidas remanescentes sobre a presença de uma atmosfera podem ser descartadas com estudos de acompanhamento usando outros métodos, como espectroscopia de transmissão.

A verdadeira força da nova técnica será determinar que fração de exoplanetas rochosos provavelmente terá uma atmosfera. Aproximadamente uma dúzia de exoplanetas que são bons candidatos para este método foram detectados durante o ano passado. Mais provavelmente serão encontrados quando Webb estiver operacional.

"O satélite de pesquisa de exoplanetas em trânsito, ou TESS, está encontrando pilhas desses planetas, "afirmou Kempton.

O método do eclipse secundário tem uma limitação importante:funciona melhor em planetas que são muito quentes para serem localizados na zona habitável. Contudo, determinar se esses planetas quentes hospedam ou não atmosferas contém implicações importantes para planetas de zonas habitáveis.

"Se planetas quentes podem manter uma atmosfera, os mais frios devem ser capazes de, pelo menos, também, "disse Koll.

O Telescópio Espacial James Webb será o principal observatório de ciências espaciais do mundo quando for lançado em 2021. Webb resolverá mistérios em nosso sistema solar, olhe além, para mundos distantes ao redor de outras estrelas, e sondar as misteriosas estruturas e origens de nosso universo e nosso lugar nele. Webb é um projeto internacional liderado pela NASA com seus parceiros, ESA (Agência Espacial Europeia) e Agência Espacial Canadiana.