OBSERVAÇÕES APONTAM PARA ATMOSFERA RICA EM ÁGUA DE SUPER-TERRA
6 de Setembro de 2013
Uma equipa japonesa de astrónomos e cientistas planetários usou as duas câmaras ópticas do Telescópio Subaru, a Suprime-Cam e o FOCAS (Faint Object Camera and Spectrograph), com um filtro de transmissão azul para observar os trânsitos planetários da super-Terra GJ 1214 b (Gliese 1214 b). A equipa investigou se este planeta tem uma atmosfera rica em água ou em hidrogénio. As observações do Subaru mostram que o céu deste planeta não tem uma forte dispersão de Rayleigh, o que uma atmosfera de hidrogénio sem nuvens poderia prever. Quando combinadas com as descobertas de observações anteriores noutras cores, este novo resultado observacional implica que GJ 1214 b tem provavelmente uma atmosfera rica em água.
As super-Terras estão emergindo como um novo tipo de exoplaneta (isto é, um planeta que orbita uma estrela fora do nosso Sistema Solar) com uma massa e raio maior que o da Terra, mas menor que os gigantes de gelo do nosso Sistema Solar, como Urano ou Neptuno. Ainda não se sabem com certeza se as super-Terras são mais como "Terras grandes" ou "Uranos pequenos", pois os cientistas ainda não determinaram as suas propriedades detalhadas. A actual equipa de investigadores japoneses focou os seus esforços em investigar as características atmosféricas de uma super-Terra, GJ 1214 b, localizada a 40 anos-luz da Terra na direcção da constelação de Ofiuco, para Noroeste do centro da nossa Via Láctea. Este planeta é um dos conhecidos super-Terras descobertos por Charbonneau et al. (2009) no Projecto MEarth, que se foca em descobrir planetas habitáveis em torno de estrelas pequenas e vizinhas. A equipa examinou características de dispersão de luz durante o trânsito de GJ 1214 b em frente da sua estrela-mãe.
A teoria actual postula que um planeta se desenvolve num disco de gás denso em redor de uma estrela recém-formada (ou seja, num disco protoplanetário). O elemento hidrogénio é um componente principal do disco protoplanetário, e a água gelada é abundante numa região exterior para além da chamada "linha de neve". As descobertas de onde as super-Terras se formaram e como migraram para as suas órbitas actuais apontam para a previsão de que ou o hidrogénio ou o vapor de água seja um dos principais componentes atmosféricos de uma super-Terra. Se os cientistas conseguirem determinar o componente principal atmosférico de uma super-Terra, então podem inferir o local de nascimento do planeta e a sua história de formação.
Os trânsitos planetários permitem aos cientistas investigar mudanças no comprimento de onda do brilho da estrela (ou seja, a profundidade de trânsito), o que indica a composição atmosférica do planeta. A forte dispersão de Rayleigh no comprimento de onda óptico é uma forte evidência para uma atmosfera rica em hidrogénio. A dispersão de Rayleigh ocorre quando as partículas de luz se espalham num meio sem uma mudança no comprimento de onda. Tal dispersão depende fortemente do comprimento de onda e aumenta comprimentos de onda curtos, que provoca uma maior profundidade de trânsito no azul em vez de comprimentos de onda avermelhados.
A equipa usou as duas câmaras ópticas, Suprime-Cam e FOCAS, acopladas ao Telescópio Subaru e equipado com um filtro de transmissão azul para procurar dispersão de Rayleigh na atmosfera de GJ 1214 b. A estrela deste sistema planetário, muito fraca no azul, representa um desafio para os cientistas que procuram determinar se a atmosfera do planeta tem ou não uma forte dispersão de Rayleigh. O grande e poderoso espelho de 8,2 m do Telescópio Subaru permitiu à equipa alcançar a maior sensibilidade de sempre na região mais azul dos comprimentos de onda ópticos.
As observações da equipa mostraram que a atmosfera de GJ 1214 b não exibe uma forte dispersão de Rayleigh. Esta constatação implica que o planeta tem uma atmosfera rica em água ou uma atmosfera de hidrogénio dominada por nuvens extensas.
Embora a equipa não desconte completamente a possibilidade de uma atmosfera dominada por hidrogénio, o novo resultado observacional, combinado com as descobertas de pesquisas anteriores noutras cores, sugerem que GJ 1214 b tem provavelmente uma atmosfera rica em água. A equipa pretende realizar observações de acompanhamento no futuro próximo para reforçar a sua conclusão.
Embora exista apenas um pequeno número de super-Terras que os cientistas podem observar no céu, esta situação vai mudar drasticamente quando o TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) começar o seu estudo de todo o céu em busca de pequenos exoplanetas que transitam as suas estrelas-mãe na nossa vizinhança solar. Quando novos alvos ficarem disponíveis, os cientistas poderão estudar as atmosferas de muitas super-Terras com o Telescópio Subaru e a próxima geração de grandes telescópios como o TMT (Thirty Meter Telescope). Tais observações permitirão aos cientistas aprender mais sobre a natureza das várias super-Terras.
Impressão de artista de um trânsito de GJ 1214 b no azul. A esfera azul representa a estrela-mãe GJ 1214, e a bola negra à direita é o planeta GJ 1214 b.
Crédito: NAOJ
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Impressão de artista da relação entre a composição da atmosfera e as cores transmitidas de luz. Topo: se o céu tem uma atmosfera clara de hidrogénio, a dispersão de Raylegh é maior na luz azul da atmosfera do hospedeiro enquanto dispersa menos de luz vermelha. Como resultado, um trânsito no azul torna-se mais profundo do que um no vermelho. Meio: se o céu tiver uma menor atmosfera rica em água, o efeito da dispersão de Rayleigh é muito menor do que a atmosfera de hidrogénio. Neste caso, os trânsitos em todas as cores têm quase as mesmas profundidades. Baixo: se o céu tiver muitas vuvens, a maioria da luz não pode ser transmitida através da atmosfera, embora o hidrogénio seja o elemento dominante. Como resultado, os trânsitos em todas as cores têm quase todas as mesmas profundidades.
Crédito: NAOJ
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Profundidades de trânsitos observados e modelos teóricos para GJ 1214 b. Os pontos azuis e azul-céu são dados obtidos pelo Telescópio Subaru com a Suprime-Cam e FOCAS, respectivamente (Narita et al. 2013). Os pontos vermelhos foram recolhidos com o telescópio IRSF 1,4 m localizado na África do Sul (Narita et al. 2013). As três linhas sólidas (amarelo, verde e púrpura) representam modelos atmosféricos ricos em hidrogénio, em água e com extensas camadas de nuvens com base em Howe & Burrows (2012). Os dados do Telescópio Subaru não indicam efeitos de dispersão de Rayleigh no azul.
Crédito: NAOJ
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