Webb apresenta as melhores evidências até o momento da atmosfera rochosa de exoplanetas

Este conceito artístico mostra como poderia ser o exoplaneta 55 Cancri e. Também chamado de Janssen, 55 Cancri e é a chamada super-Terra, um planeta rochoso significativamente maior que a Terra, mas menor que Netuno, que orbita sua estrela a uma distância de apenas 1,4 milhão de milhas (0,015 unidades astronômicas), completando uma órbita completa. em menos de 18 horas. Observações do NIRCam e MIRI do JWST sugerem que o planeta pode estar cercado por uma atmosfera rica em dióxido de carbono (CO₂ ) ou monóxido de carbono (CO). Por estar tão perto de sua estrela, o planeta é extremamente quente e acredita-se que esteja coberto por rocha derretida. Os investigadores pensam que os gases que compõem a atmosfera podem ter borbulhado do magma. Crédito:Universidade de Berna, Suíça

Pesquisadores usando o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA podem ter detectado uma atmosfera em torno de 55 Cancri e, um exoplaneta rochoso a 41 anos-luz da Terra. Esta é a melhor evidência até agora de uma atmosfera planetária rochosa fora do nosso sistema solar. Brice-Olivier Demory, professor de Astrofísica na Universidade de Berna e membro do Centro Nacional de Competência em Pesquisa (NCCR) PlanetS, fez parte da equipe de pesquisa internacional que acaba de publicar os resultados na Nature .

55 Cancri e é um dos cinco planetas conhecidos que orbitam uma estrela semelhante ao Sol na constelação de Câncer. Com um diâmetro quase o dobro do da Terra e uma densidade ligeiramente maior, o planeta é classificado como uma super Terra:maior que a Terra, menor que Netuno e semelhante em composição aos planetas rochosos do nosso sistema solar.

Brice-Olivier Demory, do Centro de Espaço e Habitabilidade CSH da Universidade de Berna e membro do NCCR PlanetS, é coautor do estudo. Ele diz:"55 Cancri e é um dos exoplanetas mais enigmáticos. Apesar do enorme tempo de observação obtido com uma dúzia de instalações terrestres e espaciais na última década, sua própria natureza permaneceu indescritível, até hoje, quando partes do quebra-cabeça puderam finalmente ser montados graças ao Telescópio Espacial James Webb (JWST)".

Inesperadamente, estas observações mostram que pode ser possível que um planeta rochoso quente e altamente irradiado sustente uma atmosfera gasosa, e é um bom presságio para a capacidade do JWST de caracterizar planetas rochosos mais frios - potencialmente habitáveis - orbitando estrelas semelhantes ao Sol.

Renyu Hu, do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (JPL), liderou a equipe. “O JWST está realmente expandindo as fronteiras da caracterização de exoplanetas para exoplanetas rochosos”, disse Hu. "Está realmente possibilitando um novo tipo de ciência."

O telescópio espacial de Berna CHEOPS apresentou descobertas importantes

Demory foi convidado para o programa de pesquisa por Hu, um de seus colegas quando estava no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). Demory estuda 55 Cancri e desde o início de sua carreira. "Como pós-doutorado no MIT liderei a descoberta do primeiro trânsito de 55 Cancri e, e em 2016 minha equipe publicou o primeiro mapa de um exoplaneta rochoso, que era 55 Cancri e." O resultado de 2016 já sugeria a possível presença de uma atmosfera em torno de 55 Cancri e.

Para o estudo atual, Demory conduziu uma análise independente do conjunto de dados JWST. Ele explica:"Nos últimos dois anos, o telescópio espacial CHEOPS, que foi desenvolvido e construído na Universidade de Berna, foi fundamental na resolução de várias questões que os astrofísicos tinham sobre 55 Cancri e. O JWST complementou esta imagem em comprimentos de onda infravermelhos ao mostrar que a super-Terra 55 Cancri e pode estar rodeada por uma atmosfera com uma composição consistente com monóxido de carbono ou dióxido de carbono."

Um espectro de emissão térmica capturado pela NIRCam (Near-Infrared Camera) do JWST em novembro de 2022, e MIRI (MidInfrared Instrument) em março de 2023, mostra o brilho (eixo y) de diferentes comprimentos de onda de luz infravermelha (eixo x) emitida por o exoplaneta super-Terra 55 Cancri e. O espectro mostra que o planeta pode estar rodeado por uma atmosfera rica em dióxido de carbono ou monóxido de carbono e outros voláteis, e não apenas rocha vaporizada. O gráfico compara os dados coletados pelo NIRCam (pontos laranja) e MIRI (pontos roxos) com dois modelos diferentes. O modelo A, em vermelho, mostra como deveria ser o espectro de emissão de 55 Cancri e se ele tivesse uma atmosfera feita de rocha vaporizada. O modelo B, em azul, mostra como deveria ser o espectro de emissão se o planeta tivesse uma atmosfera rica em voláteis liberada de gases de um oceano de magma que tivesse um conteúdo volátil semelhante ao do manto da Terra. Os dados MIRI e NIRCam são consistentes com o modelo rico em voláteis. Crédito:Ilustração:NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI) Ciência:Renyu Hu (JPL), Aaron Bello-Arufe (JPL), Diana Dragomir (Universidade do Novo México)

Super-Terra superquente e ainda mais fria do que o esperado

Embora 55 Cancri e seja semelhante em composição aos planetas rochosos do nosso sistema solar, descrevê-lo como “rochoso” pode deixar uma impressão errada. O planeta orbita tão perto da sua estrela (uma órbita completa dura 18 horas, em comparação com os 365 dias da nossa Terra) que a sua superfície deve estar derretida – um oceano profundo e borbulhante de magma. Com uma órbita tão estreita, é provável que o planeta também esteja bloqueado pelas marés, com um lado diurno sempre voltado para a estrela e um lado noturno em escuridão perpétua. “O planeta está tão quente que parte da rocha derretida deveria evaporar”, explicou Hu.

Embora o JWST não consiga capturar uma imagem direta de 55 Cancri e, pode medir mudanças subtis na luz do sistema à medida que o planeta orbita a estrela. A equipe usou NIRCam (Near-Infrared Camera) e MIRI (Mid-Infrared Instrument) do JWST para medir a luz infravermelha originada do planeta.

Ao subtrair o brilho durante o eclipse secundário, quando o planeta está atrás da estrela (apenas a luz das estrelas), do brilho quando o planeta está mesmo ao lado da estrela (luz da estrela e do planeta combinados), a equipa conseguiu calcular a quantidade de luz infravermelha vinda do lado diurno do planeta em vários comprimentos de onda simultaneamente.

A primeira indicação de que 55 Cancri e poderia ter uma atmosfera substancial veio de medições de temperatura baseadas na sua emissão térmica, ou energia térmica emitida na forma de luz infravermelha. Se o planeta estiver coberto por rocha escura derretida com um fino véu de rocha vaporizada ou sem atmosfera alguma, o lado diurno deverá estar em torno de 2.200 graus Celsius.

“Em vez disso, os dados do MIRI mostraram uma temperatura relativamente baixa de cerca de 1.500 graus Celsius”, disse Hu. “Esta é uma indicação muito forte de que a energia está sendo distribuída do lado diurno para o noturno, muito provavelmente por uma atmosfera rica em voláteis”.

Embora as correntes de lava possam transportar algum calor para o lado noturno, elas não conseguem movê-lo com eficiência suficiente para explicar o efeito de resfriamento. Na verdade, o lado diurno parece várias centenas de graus mais frio do que deveria, mesmo que o calor se espalhe uniformemente por todo o planeta. Isto faz sentido se parte da luz infravermelha emitida pela superfície estiver sendo absorvida pela atmosfera e nunca atingir o telescópio.

Oceano de magma borbulhante

A equipa pensa que os gases que cobrem 55 Cancri e estão a borbulhar do seu interior. A atmosfera primária já teria desaparecido há muito tempo devido à alta temperatura e à intensa radiação da estrela.

Esta seria uma atmosfera secundária continuamente reabastecida pelo oceano de magma. Magma não é apenas cristais e rochas líquidas; também contém muito gás dissolvido.

Embora 55 Cancri e seja quente demais para ser habitável, ele poderia fornecer uma janela única para estudar as interações entre atmosferas, superfícies e interiores de planetas rochosos, e talvez fornecer insights sobre a Terra primitiva, Vênus e Marte, que se acredita terem foram cobertos por oceanos de magma no passado distante. “Em última análise, queremos compreender que condições tornam possível a um planeta rochoso sustentar uma atmosfera rica em gás:o ingrediente chave para um planeta habitável”, disse Hu.

Mais informações: Renyu Hu et al, Uma atmosfera secundária no exoplaneta rochoso 55 Cancri e, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07432-x
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Universidade de Berna

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