Usando o espectropolarímetro SPIRou no telescópio Canadá-França-Havaí no Havaí, uma equipe liderada por Stefan Pelletier, um aluno de doutorado no Instituto de Pesquisa sobre Exoplanetas da Université de Montreal (iREx), estudou a atmosfera do exoplaneta gigante gasoso Tau Boötis b, um mundo escaldante que leva apenas três dias para orbitar sua estrela hospedeira.

Sua análise detalhada, apresentado em um artigo publicado hoje no Astronomical Journal , mostra que a atmosfera do planeta gasoso contém monóxido de carbono, como esperado, mas surpreendentemente sem água, uma molécula que se pensava ser predominante e deveria ser facilmente detectável com SPIRou.

Tau Boötis b é um planeta que tem 6,24 vezes mais massa do que Júpiter e oito vezes mais perto de sua estrela-mãe do que Mercúrio está do sol. Localizado a apenas 51 anos-luz da Terra e 40 por cento mais massivo que o Sol, sua estrela, Tau Boötis, é uma das estrelas com planetas mais brilhantes conhecidas, e é visível a olho nu na constelação de Boötes.

Tau Boötis b foi um dos primeiros exoplanetas já descobertos, em 1996, graças ao método da velocidade radial, que detecta o leve movimento para frente e para trás de uma estrela gerado pelo puxão gravitacional de seu planeta. Sua atmosfera havia sido estudada várias vezes antes, mas nunca com um instrumento tão poderoso como o SPIRou para revelar seu conteúdo molecular.

Procurando por água

Supondo que Tau Boötis b seja formado em um disco protoplanetário com uma composição semelhante à do nosso Sistema Solar, modelos mostram que o vapor de água deve estar presente em grandes quantidades em sua atmosfera. Portanto, deveria ser fácil de detectar com um instrumento como o SPIRou.

"Esperávamos uma forte detecção de água, com talvez um pouco de monóxido de carbono, "explicou Pelletier." Estávamos, Contudo, surpreso ao descobrir o oposto:monóxido de carbono, mas sem água. "

A equipe trabalhou muito para garantir que os resultados não pudessem ser atribuídos a problemas com o instrumento ou com a análise dos dados.

"Assim que nos convencemos de que o conteúdo de água era de fato muito mais baixo do que o esperado em Tau Boötis b, pudemos começar a buscar mecanismos de formação que explicassem isso, "disse Pelletier.

Estudando Júpiteres quentes para entender melhor Júpiter e Saturno

"Júpiteres quentes como Tau Boötis b oferecem uma oportunidade sem precedentes para sondar a formação de planetas gigantes", disse o co-autor Björn Benneke, professor de astrofísica e orientador de doutorado de Pelletier na UdeM. "A composição do planeta dá pistas de onde e como este planeta gigante se formou."

A chave para revelar a localização da formação e o mecanismo de planetas gigantes está impressa em sua composição atmosférica molecular. A temperatura extrema de Júpiteres quentes permite que a maioria das moléculas em suas atmosferas estejam na forma gasosa, e, portanto, detectável com instrumentos atuais. Os astrônomos podem, portanto, medir com precisão o conteúdo de suas atmosferas.

"Em nosso Sistema Solar, Júpiter e Saturno são muito frios, "disse Benneke." Algumas moléculas como a água estão congeladas e escondidas nas profundezas de sua atmosfera; portanto, temos um conhecimento muito pobre de sua abundância. O estudo de Júpiteres quentes fornece uma maneira de entender melhor nossos próprios planetas gigantes. A baixa quantidade de água em Tau Boötis b pode significar que nosso próprio Júpiter também está mais seco do que pensávamos anteriormente. "

SPIRou:Um instrumento único

Tau Boötis b é um dos primeiros planetas estudados com o novo instrumento SPIRou desde que foi recentemente colocado em serviço no telescópio Canadá-França-Havaí. Este instrumento foi desenvolvido por pesquisadores de várias instituições científicas, incluindo a UdeM.

"Este espectropolarímetro pode analisar a luz térmica do planeta - a luz emitida pelo próprio planeta - em uma gama de cores sem precedentes, e com uma resolução que permite a identificação de muitas moléculas ao mesmo tempo:água, monóxido de carbono, metano, etc. ", disse o co-autor e pesquisador do iREx Neil Cook, um especialista no instrumento SPIRou.

A equipe passou 20 horas observando o exoplaneta com o SPIRou entre abril de 2019 e junho de 2020.

"Medimos a abundância de todas as principais moléculas que contêm carbono ou oxigênio, "disse Pelletier." Uma vez que são os dois elementos mais abundantes no universo, depois de hidrogênio e hélio, isso nos dá uma imagem muito completa do conteúdo da atmosfera. "

Como a maioria dos planetas, Tau Boötis b não passa na frente de sua estrela enquanto orbita ao redor dela, do ponto de vista da Terra. Contudo, o estudo de atmosferas de exoplanetas tem se limitado principalmente a planetas "em trânsito" - aqueles que causam quedas periódicas na luz de suas estrelas quando obscurecem parte de sua luz.

"É a primeira vez que obtemos medidas tão precisas sobre a composição atmosférica de um exoplaneta em trânsito, "disse a estudante de doutorado Caroline Piaulet, um co-autor do estudo.

“Este trabalho abre a porta para estudar em detalhe as atmosferas de um grande número de exoplanetas, mesmo aqueles que não transitam por sua estrela. "

Uma composição semelhante a Júpiter

Por meio de sua análise, Pelletier e seus colegas foram capazes de concluir que a composição atmosférica de Tau Boötis b tem cerca de cinco vezes mais carbono do que a encontrada no Sol, quantidades semelhantes às medidas para Júpiter.

Isso pode ser uma sugestão de que Júpiteres quentes podem se formar muito mais longe de sua estrela hospedeira, a distâncias semelhantes às dos planetas gigantes do nosso Sistema Solar, e simplesmente experimentaram uma evolução diferente, que incluiu uma migração em direção à estrela.

"De acordo com o que encontramos para Tau Boötis b, parece que, pelo menos em termos de composição, Júpiteres quentes podem não ser tão diferentes de nossos planetas gigantes do Sistema Solar, afinal, "concluiu Pelletier.