Observações efetuadas com o Telescópio Espacial James Webb forneceram novas pistas sobre a formação do exoplaneta WASP-121 b e sobre a sua origem no disco de gás e poeira que rodeia a estrela. Estes conhecimentos resultam da deteção de várias moléculas-chave: vapor de água, monóxido de carbono, monóxido de silício e metano. Com estas deteções, uma equipa liderada pelos astrónomos Thomas Evans-Soma e Cyril Gapp conseguiu compilar um inventário do carbono, oxigénio e silício na atmosfera de WASP-121 b. A deteção de metano, em particular, também sugere fortes ventos verticais no mais frio lado noturno, um processo frequentemente ignorado nos modelos atuais.

WASP-121 b é um planeta gigante ultraquente que orbita a sua estrela hospedeira a uma distância de apenas duas vezes o diâmetro da estrela, completando uma órbita em aproximadamente 30,5 horas. O planeta exibe dois hemisférios distintos: um que está sempre virado para a estrela hospedeira, com temperaturas localmente superiores a 3000º Celsius, e um eterno lado noturno onde as temperaturas descem para 1500 graus.

"As temperaturas do lado diurno são suficientemente elevadas para que materiais refratários - tipicamente compostos sólidos resistentes ao calor forte - existam como componentes gasosos da atmosfera do planeta", explicou Thomas Evans-Soma, astrónomo afiliado ao Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg, Alemanha, e à Universidade de Newcastle, Austrália. Liderou o estudo publicado na revista Nature Astronomy.

Desvendando o local de nascimento de WASP-121 b

A equipa investigou a abundância de compostos que se evaporam a temperaturas muito diferentes, fornecendo pistas sobre a formação e evolução do planeta. "Os materiais gasosos são mais fáceis de identificar do que os líquidos e os sólidos", observou o estudante Cyril Gapp, autor principal de um segundo estudo publicado na revista The Astronomical Journal. "Uma vez que muitos compostos químicos estão presentes na forma gasosa, os astrónomos usam WASP-121 b como um laboratório natural para sondar as propriedades das atmosferas planetárias".

A equipa concluiu que WASP-121 b provavelmente acumulou a maior parte do seu gás numa região suficientemente fria para que a água permanecesse congelada, mas suficientemente quente para que o metano (CH4) se evaporasse e existisse na sua forma gasosa. Uma vez que os planetas se formam num disco de gás e poeira que rodeia uma estrela jovem, estas condições ocorrem a distâncias em que a radiação estelar cria as temperaturas adequadas.

No nosso próprio Sistema Solar, esta região situa-se algures entre as órbitas de Júpiter e Úrano. Este facto é notável, dado que WASP-121 b orbita agora perigosamente perto da superfície da sua estrela hospedeira. Isto sugere que, após a sua formação, empreendeu uma longa viagem desde as geladas regiões exteriores até ao centro do sistema planetário.

Reconstruindo a agitada juventude de WASP-121 b

O silício foi detetado como monóxido de silício (SiO) gasoso, mas entrou originalmente no planeta através de material rochoso, como o quartzo, armazenado em planetesimais - essencialmente asteroides - depois de ter adquirido a maior parte do seu invólucro gasoso. A formação de planetesimais leva tempo, indicando que este processo ocorreu durante os últimos estágios do desenvolvimento planetário.

A formação planetária começa com partículas de poeira gelada que se juntam e crescem gradualmente até se transformarem em seixos com centímetros a metros. Atraem o gás circundante e pequenas partículas, acelerando o seu crescimento. Estas são as sementes de futuros planetas como WASP-121 b. O arrasto do gás circundante faz com que os seixos em movimento espiralem em direção à estrela. Enquanto migram, os seus gelos incorporados começam a evaporar-se nas regiões interiores mais quentes do disco.

À medida que os planetas infantis orbitam as suas estrelas hospedeiras, podem crescer o suficiente para abrir brechas substanciais no disco protoplanetário. Isto interrompe a deriva dos seixos para o interior e o fornecimento de gelo incorporado, mas deixa disponível gás suficiente para construir uma atmosfera alargada.

No caso de WASP-121 b, isto parece ter ocorrido num local onde os seixos de metano se evaporaram, enriquecendo o gás que o planeta fornecia com carbono. Em contraste, os seixos de água permaneceram congelados, prendendo o oxigénio. Este cenário explica melhor porque é que Evans-Soma e Gapp observaram uma relação carbono/oxigénio mais elevada na atmosfera do planeta do que na sua estrela hospedeira. WASP-121 b continuou a atrair gás rico em carbono depois do fluxo de seixos ricos em oxigénio ter parado, estabelecendo a composição final do seu invólucro atmosférico.

Esta conceção artística ilustra a forma como WASP-121 b orbita a sua estrela hospedeira. Ao mostrar vinte fases da trajetória do planeta, a imagem demonstra como o planeta apresenta frações variáveis do seu quente e iluminado lado diurno. Observando toda a órbita, a equipa extraiu informação das emissões atmosféricas em constante mudança. A fase em que o planeta passa em frente da estrela também permitiu à equipa examinar a forma como o fino limbo atmosférico do planeta alterava a luz estelar que o atravessava. Desta forma, detetaram o gás monóxido de silício. Crédito: Patricia Klein

A deteção de metano requer fortes correntes verticais

À medida que a temperatura de uma atmosfera muda, é expectável que as quantidades de diferentes moléculas, como o metano e o monóxido de carbono, variem. Às temperaturas ultra-altas do lado diurno de WASP-121 b, o metano é altamente instável e não estará presente em quantidades detetáveis. Os astrónomos determinaram que, para planetas como WASP-121 b, o gás do hemisfério diurno deve ser misturado com o do hemisfério noturno, relativamente frio, mais depressa do que a composição do gás se pode ajustar às temperaturas mais baixas. Neste cenário, seria de esperar que a abundância de metano fosse negligenciável no lado noturno, tal como acontece no lado diurno. Quando, ao invés, os astrónomos detetaram metano abundante no lado noturno de WASP-121 b, foi uma surpresa total.

Para explicar este resultado, a equipa propõe que o gás metano deve ser rapidamente reabastecido no lado noturno para manter a sua elevada abundância. Um mecanismo plausível para o fazer envolve fortes correntes verticais que levantam o gás metano das camadas atmosféricas inferiores, que são ricas em metano graças às temperaturas noturnas relativamente baixas combinadas com a elevada relação carbono/oxigénio da atmosfera. "Isto desafia os modelos dinâmicos dos exoplanetas, que provavelmente terão de ser adaptados para reproduzir a forte mistura vertical que descobrimos no lado noturno de WASP-121 b", disse Evans-Soma.

O papel do James Webb na descoberta

A equipa usou o instrumento NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) do JWST para observar WASP-121 b ao longo de toda a sua órbita em torno da estrela hospedeira. À medida que o planeta gira, a radiação térmica recebida da sua superfície varia, expondo ao telescópio diferentes porções da sua atmosfera irradiada. Isto permitiu à equipa caracterizar as condições e a composição química do lado diurno e do lado noturno do planeta.

Os astrónomos também captaram observações enquanto o planeta transitava em frente da sua estrela. Durante esta fase, alguma luz estelar é filtrada através do limbo atmosférico do planeta, deixando impressões digitais espetrais que revelam a sua composição química. Este tipo de medição é especialmente sensível à região de transição onde os gases do lado diurno e noturno se misturam. "O espetro de transmissão emergente confirmou as deteções de monóxido de silício, monóxido de carbono e água que foram feitas com os dados de emissão", observou Gapp. "No entanto, não conseguimos encontrar metano na zona de transição entre o lado diurno e o noturno".

// Instituto Max Planck de Astronomia (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Astronomy)
// Artigo científico #2 (The Astronomical Journal)

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WASP-121 b:
NASA
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Lista de exoplanetas potencialmente habitáveis (Wikipedia)
Lista de exoplanetas mais próximos (Wikipedia)
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Lista de exoplanetas candidatos a albergar água líquida (Wikipedia)
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