Uma impressão artística do quente Júpiter WASP-43b orbitando de perto sua estrela-mãe. A órbita estreita do planeta resultou na sincronização do seu período de rotação com o período orbital, ambos totalizando 19,5 horas. Como resultado, WASP-43b está sempre voltado para a estrela com o mesmo hemisfério permanentemente envolvido pela luz do dia, com temperaturas que chegam aos 1250°C. O lado noturno voltado para longe da estrela é coberto por nuvens feitas de gotículas minerais condensadas a temperaturas em torno de 600°C. Crédito:T. Müller (MPIA/HdA) Usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST), uma equipe de astrônomos, incluindo cientistas do MPIA, construiu um mapa da temperatura global do exoplaneta gigante gasoso WASP-43b. A estrela-mãe próxima ilumina perpetuamente um hemisfério, elevando as temperaturas para escaldantes 1250°C. Enquanto isso, a noite eterna envolve o lado oposto.
Ventos violentos transportam o ar escaldante para o lado noturno, onde esfria até 600°C, permitindo a formação de nuvens e cobrindo todo o hemisfério. Estas tempestades prejudicam tanto as reações químicas que o metano mal consegue se formar, embora deva ser abundante em condições mais calmas.
Júpiteres quentes são exoplanetas gigantes gasosos extremos que orbitam suas estrelas hospedeiras nas proximidades, levando a várias propriedades exóticas em relação à temperatura, densidade, composição, química e clima. Com o advento de telescópios inovadores e sensíveis, como o Telescópio Espacial James Webb (JWST), os astrónomos começaram a estudar as suas atmosferas em grande detalhe.
Uma colaboração internacional de astrônomos, a equipe JWST Transiting Exoplanet Early Release Science (JTEC-ERS), observou o quente Júpiter WASP-43b com o Mid-Infrared Instrument (MIRI) do JWST para estudar seu clima.
Os resultados dessa investigação liderada por Taylor J. Bell (Instituto BAER e Divisão de Ciência Espacial e Astrobiologia, Centro de Pesquisa Ames da NASA, EUA) foram publicados na Nature Astronomy. .
Um mundo extremo diferente de tudo no sistema solar
O resultado central é um mapa que descreve a distribuição da temperatura global derivada da luz infravermelha que WASP-43b emite em resposta à irradiação da sua estrela hospedeira. Ao cobrir uma faixa espectral sensível a materiais quentes, o MIRI funciona de forma semelhante a um termômetro sem contato usado para medir temperaturas corporais, mas através de grandes distâncias, totalizando 280 anos-luz para WASP-43b.
Utilizando o Telescópio Espacial James Webb (JWST), a equipe JTEC-ERS observou o sistema WASP-43 continuamente durante 27 horas para observar toda a órbita do exoplaneta quente WASP-43b, do tamanho de Júpiter. À medida que o planeta orbita a sua estrela hospedeira, diferentes faces do planeta são apontadas para o telescópio (mostrado no painel superior). Como resultado, mediram temperaturas diferentes dependendo das proporções do lado quente do dia e do lado frio da noite que o observador enfrentava. Usando o instrumento MIRI do JWST, a equipe mediu a temperatura na superfície do planeta aplicando o método de observação da curva de fase, com o MIRI funcionando como um gigantesco termômetro infravermelho sem contato. Dado que o planeta orbita tão próximo da sua estrela hospedeira, o seu lado diurno atinge uma temperatura escaldante de 1250°C e os ventos no planeta transportam parte desse calor para o lado noturno relativamente frio, que ainda atinge uma temperatura de 600°C. Crédito:Astronomia da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02230-x
Neste mapa, as temperaturas medidas estão entre 600°C e 1250°C. Em contraste, usando observações comparáveis, Júpiter, o gigante gasoso do Sistema Solar, atinge gelados -135°C.
Embora semelhante em tamanho e massa a Júpiter, é um mundo muito diferente. WASP-43b mantém uma órbita excepcionalmente estreita em torno de sua estrela hospedeira, WASP-43, viajando apenas dois diâmetros estelares acima da superfície da estrela enquanto completa sua órbita em apenas 19,5 horas. A pequena separação resultou na sincronização do dia e do ano do planeta. Em outras palavras, girar em torno da estrela leva o mesmo tempo que o planeta precisa para girar em torno de seu eixo. Consequentemente, a estrela sempre ilumina e aquece o mesmo lado do planeta.
Os ventos transportam o ar para o hemisfério oposto, onde esfria na noite eterna. No entanto, no WASP-43b, estes ventos são extremamente violentos, com velocidades de vento que atingem quase 9.000 km/h, o que está além de qualquer coisa que testemunhamos no sistema solar. Em comparação, mesmo os ventos mais fortes de Júpiter são apenas uma brisa suave.
Vapor de água, nuvens de rocha líquida e uma surpreendente falta de metano
"Com o Hubble, pudemos ver claramente que há vapor de água no lado diurno. Tanto o Hubble como o Spitzer sugeriram que poderia haver nuvens no lado noturno," explicou Bell. “Mas precisávamos de medições mais precisas do JWST para realmente começar a mapear a temperatura, a cobertura de nuvens, os ventos e uma composição atmosférica mais detalhada em todo o planeta.”
As observações do JWST descobriram que o contraste de temperatura entre o lado diurno e o noturno é mais forte do que seria de esperar para uma atmosfera sem nuvens. Os cálculos do modelo confirmam que o lado noturno do planeta está envolto numa espessa camada de nuvens no alto da atmosfera, que bloqueia grande parte da radiação infravermelha vinda de baixo que de outra forma veríamos.
Os tipos exatos de nuvens ainda são desconhecidos. Claramente, não serão nuvens de água como as da Terra, muito menos as nuvens de amoníaco que vemos em Júpiter, já que o planeta é demasiado quente para que a água e o amoníaco se condensem. Em vez disso, é mais provável que nuvens feitas de rochas e minerais estejam presentes nessas temperaturas. Portanto, deveríamos esperar nuvens feitas de gotículas de rocha líquida. Por outro lado, o lado diurno mais quente do WASP-43b parece estar livre de nuvens.
Esta imagem ilustra como uma estrela ilumina e aquece o lado diurno de um planeta bloqueado pelas marés orbitando em rotação limitada. Semelhante à forma como vemos Vênus no sistema solar, esse planeta mostra diferentes frações de seus lados diurno e noturno, as fases, durante uma órbita. Ao observar WASP-43b, os astrônomos rastrearam o sinal do planeta em função do grau de iluminação, obtendo assim dados de todo o planeta. Crédito:ESA
Para investigar a composição atmosférica com mais detalhes, a equipe produziu espectros, ou seja, decompôs a luz infravermelha recebida em pequenas seções de comprimento de onda, semelhantes a um arco-íris que revela os componentes de cor da luz solar. Este método permitiu identificar as assinaturas de compostos químicos individuais que irradiam em comprimentos de onda específicos.
Como resultado, os astrónomos confirmaram medições anteriores de vapor de água, mas agora em todo o planeta. O Hubble só foi capaz de estudar o lado diurno, pois o lado noturno era escuro demais para reconhecer moléculas ali. O JWST, com sua maior sensibilidade, agora completa o quadro.
Além disso, Júpiteres quentes normalmente hospedam grandes quantidades de hidrogénio molecular e monóxido de carbono, ambos os quais não puderam ser investigados com as observações da equipa. Porém, quando submetidos ao lado noturno mais frio, o hidrogênio e o monóxido de carbono participam de um conjunto de reações que produziriam metano e água. No entanto, o MIRI não encontrou nenhum metano.
Os astrónomos explicam esta surpresa com as enormes velocidades do vento no WASP-43b. Os parceiros de reação passam pelo lado noturno mais frio tão rapidamente que resta pouco tempo para que as reações químicas esperadas produzam quantidades detectáveis de metano. Qualquer pequena fração de metano fica completamente misturada com outros gases. Rapidamente chega novamente ao lado diurno, onde é exposto ao calor destrutivo.
“Com o novo poder de observação do JWST, o WASP-43b foi revelado com detalhes sem precedentes”, disse Laura Kreidberg, Diretora do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, Alemanha. Ela é coautora do artigo de pesquisa subjacente e explora o planeta há uma década.
“Vemos um mundo complexo e inóspito, com ventos furiosos, grandes mudanças de temperatura e nuvens irregulares, provavelmente feitas de gotículas de rocha. WASP-43b é um lembrete da vasta gama de climas possíveis em exoplanetas e das muitas maneiras pelas quais a Terra é especial."
A curva de fase do Júpiter quente WASP-43b, obtida com o MIRI a bordo do JWST, mostra o brilho infravermelho recebido em relação à estrela hospedeira à medida que ela varia ao longo de sua órbita. A fase orbital 0 é quando o planeta passa diante da estrela e apresenta seu lado noturno. As fases orbitais -0,5 e 0,5 correspondem à configuração quando o planeta passa atrás da estrela, permanecendo apenas o sinal estelar. O lado diurno do planeta é visível imediatamente antes e depois de ser coberto pela estrela. Os pontos cinzas são os pontos de dados, enquanto os pontos pretos representam valores médios. A linha vermelha representa a curva média da fase do planeta. Crédito:Astronomia da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02230-x
Observando um carrossel planetário
WASP-43b foi descoberto em 2011 através do método de trânsito. Sempre que a órbita de um exoplaneta é orientada de modo que, da nossa perspectiva, passe em frente da sua estrela hospedeira, a ocultação bloqueia uma pequena porção da luz estelar. Estas quedas periódicas no brilho estelar são um sinal revelador de um objeto girando em torno da estrela. A forma exata permite calcular o tamanho do planeta e a inclinação orbital.
Os astrónomos exploram um efeito secundário para estudar o planeta em detalhe. Considere Vênus mudando sua iluminação, semelhante às fases lunares, durante sua órbita ao redor do sol. Os exoplanetas em trânsito apresentam fases variadas de emissão infravermelha da mesma maneira, dependendo de como a estrela aquece o lado diurno.
Observar a mudança gradual de proporções que vemos nos hemisférios quentes e frios resulta num padrão característico de como o brilho infravermelho medido do planeta varia no tempo. A análise deste minúsculo sinal, a chamada curva de fase, que os astrônomos receberam do WASP-43b permitiu construir o mapa de temperatura e localizar os gases que compõem a atmosfera do planeta.
O futuro é infravermelho brilhante
Um estudo de acompanhamento realizado por outra equipe liderada pelo ex-cientista do MPIA Stephan Birkmann (Agência Espacial Europeia, ESA) analisará o WASP-43b com o Espectrômetro de Infravermelho Próximo (NIRSpec) do JWST. Essas medições serão sensíveis ao gás monóxido de carbono que deve prevalecer em toda a atmosfera.
Além disso, a cobertura expandida do comprimento de onda melhorará a fidelidade do mapa de temperatura MIRI e ajudará a investigar a distribuição e composição das nuvens com mais precisão.
