Por que o exoplaneta gigante gasoso quente WASP-107 b é tão inchado? Duas equipes independentes de pesquisadores têm uma resposta.



Dados coletados usando o Telescópio Espacial James Webb da NASA, combinados com observações anteriores do Telescópio Espacial Hubble da NASA, mostram surpreendentemente pouco metano (CH₄ ) na atmosfera do planeta, indicando que o interior do WASP-107 b deve ser significativamente mais quente e o núcleo muito mais massivo do que o estimado anteriormente.

Acredita-se que a temperatura inesperadamente alta seja resultado do aquecimento das marés causado pela órbita ligeiramente não circular do planeta, e pode explicar como WASP-107 b pode ser tão inflado sem recorrer a teorias extremas sobre como se formou.

Os resultados, que foram possíveis graças à extraordinária sensibilidade de Webb e à capacidade que a acompanha de medir a luz que passa pelas atmosferas dos exoplanetas, podem explicar o inchaço de dezenas de exoplanetas de baixa densidade, ajudando a resolver um mistério de longa data na ciência dos exoplanetas.

O problema com WASP-107 b

Com mais de três quartos do volume de Júpiter, mas menos de um décimo da massa, o exoplaneta "quente Netuno" WASP-107 b é um dos planetas menos densos conhecidos. Embora os planetas inchados não sejam incomuns, a maioria é mais quente e mais massiva e, portanto, mais fácil de explicar.

"Com base no seu raio, massa, idade e temperatura interna assumida, pensámos que WASP-107 b tinha um núcleo rochoso muito pequeno rodeado por uma enorme massa de hidrogénio e hélio," explicou Luis Welbanks da Arizona State University (ASU). autor principal de um artigo publicado hoje na Nature . "Mas era difícil compreender como é que um núcleo tão pequeno conseguia absorver tanto gás e depois parar de crescer completamente até se tornar num planeta com a massa de Júpiter."

Se WASP-107 b tivesse mais massa no núcleo, a atmosfera deveria ter se contraído à medida que o planeta esfriou ao longo do tempo, desde que se formou. Sem uma fonte de calor para reexpandir o gás, o planeta deveria ser muito menor. Embora WASP-107 b tenha uma distância orbital de apenas 8 milhões de quilómetros (um sétimo da distância entre Mercúrio e o Sol), não recebe energia suficiente da sua estrela para ser tão inflado.

"WASP-107 b é um alvo muito interessante para Webb porque é significativamente mais frio e tem massa mais semelhante a Netuno do que muitos dos outros planetas de baixa densidade, os Júpiteres quentes, que temos estudado", disse David Sing, do Johns. Hopkins University (JHU), principal autora de um estudo paralelo também publicado hoje na Nature .

“Como resultado, deveremos ser capazes de detectar metano e outras moléculas que possam nos fornecer informações sobre sua química e dinâmica interna que não conseguiríamos obter em um planeta mais quente”.

Uma riqueza de moléculas anteriormente indetectáveis

O raio gigante, a atmosfera estendida e a órbita lateral do WASP-107 b tornam-no ideal para espectroscopia de transmissão, um método usado para identificar os vários gases na atmosfera de um exoplaneta com base em como eles afetam a luz das estrelas.

Combinando observações da NIRCam (câmera infravermelha próxima) de Webb, do MIRI (instrumento infravermelho médio) de Webb e da WFC3 (câmera de campo amplo 3) do Hubble, a equipe de Welbanks foi capaz de construir um amplo espectro de luz absorvida de 0,8 a 12,2 mícrons. pela atmosfera de WASP-107 b. Usando o NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) de Webb, a equipe de Sing construiu um espectro independente cobrindo 2,7 a 5,2 mícrons.

A precisão dos dados torna possível não apenas detectar, mas também medir a abundância de uma grande variedade de moléculas, incluindo vapor de água (H₂ O), metano (CH₄ ), dióxido de carbono (CO₂ ), monóxido de carbono (CO), dióxido de enxofre (SO₂ ) e amônia (NH₃ ).

Gás turbulento, interior quente e núcleo massivo

Ambos os espectros mostram uma surpreendente falta de metano na atmosfera de WASP-107 b:um milésimo da quantidade esperada com base na temperatura assumida.

"Esta é uma evidência de que o gás quente das profundezas do planeta deve estar a misturar-se vigorosamente com as camadas mais frias mais acima," explicou Sing. "O metano é instável a altas temperaturas. O facto de termos detectado tão pouco, apesar de termos detectado outras moléculas contendo carbono, diz-nos que o interior do planeta deve ser significativamente mais quente do que pensávamos."

Uma provável fonte de energia interna extra do WASP-107 b é o aquecimento das marés causado pela sua órbita ligeiramente elíptica. Com a distância entre a estrela e o planeta mudando continuamente ao longo da órbita de 5,7 dias, a atração gravitacional também está mudando, esticando o planeta e aquecendo-o.

Os pesquisadores já haviam proposto que o aquecimento das marés poderia ser a causa do inchaço do WASP-107 b, mas até que os resultados do Webb fossem divulgados, não havia evidências.

Depois de estabelecerem que o planeta tem calor interno suficiente para agitar completamente a atmosfera, as equipas perceberam que os espectros também poderiam fornecer uma nova forma de estimar o tamanho do núcleo.

"Se soubermos quanta energia existe no planeta, e soubermos que proporção do planeta é composta por elementos mais pesados ​​como carbono, nitrogênio, oxigênio e enxofre, versus quanto é hidrogênio e hélio, podemos calcular quanta massa deve haver em o núcleo", explicou Daniel Thorngren da JHU.

Acontece que o núcleo tem pelo menos duas vezes a massa do inicialmente estimado, o que faz mais sentido em termos de como os planetas se formam.

No geral, WASP-107 b não é tão misterioso como parecia antes.

"Os dados do Webb dizem-nos que planetas como WASP-107 b não tiveram de se formar de uma forma estranha, com um núcleo super pequeno e um enorme envelope gasoso," explicou Mike Line da ASU. "Em vez disso, podemos pegar algo mais parecido com Netuno, com muita rocha e menos gás, apenas aumentar a temperatura e aumentar para ter a aparência que tem."