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Uma equipa internacional de investigadores utilizou, com sucesso, o Telescópio Espacial James Webb da NASA para mapear o clima no exoplaneta gigante gasoso e quente WASP-43 b.
Medições precisas da luminosidade num largo espetro de luz infravermelha média, combinadas com modelos climáticos 3D e observações anteriores de outros telescópios, sugerem a presença de nuvens espessas e altas cobrindo o lado noturno, céu limpo no lado diurno e ventos equatoriais de mais de 8000 quilómetros por hora misturando gases atmosféricos à volta do planeta.
A investigação é apenas a mais recente demonstração de ciência exoplanetária agora possível com a extraordinária capacidade do Webb para medir variações de temperatura e detetar gases atmosféricos a biliões de quilómetros de distância.
Um “Júpiter quente” com acoplamento de maré
WASP-43 b é um exoplaneta do tipo “Júpiter quente”: semelhante em tamanho a Júpiter, feito principalmente de hidrogénio e hélio, e muito mais quente do que qualquer um dos planetas gigantes do nosso próprio Sistema Solar. Embora a sua estrela seja mais pequena e mais fria do que o Sol, WASP-43 b orbita a uma distância de apenas 2 milhões de quilómetros – menos de 1/25 da distância entre Mercúrio e o Sol.
Com uma órbita tão íntima, o planeta sofre acoplamento de maré, com um lado continuamente iluminado e o outro em permanente escuridão. Embora o lado noturno nunca receba qualquer radiação direta da estrela, fortes ventos de leste transportam o calor do lado diurno.
Desde a sua descoberta em 2011 que WASP-43 b tem sido observado com vários telescópios, incluindo o Hubble da NASA e o agora reformado Spitzer.
“Com o Hubble, pudemos ver claramente que existe vapor de água no lado diurno. Tanto o Hubble como o Spitzer sugeriram a existência de nuvens no lado noturno”, explicou Taylor Bell, investigador do BAERI (Bay Area Environmental Research Institute) e autor principal de um estudo publicado na revista Nature Astronomy. “Mas precisávamos de medições mais precisas do Webb para começar a mapear a temperatura, a cobertura de nuvens, os ventos e uma composição atmosférica mais detalhada à volta do planeta”.
Mapeando a temperatura e inferindo o clima
Embora WASP-43 b seja demasiado pequeno, ténue e se encontre demasiado perto da sua estrela para ser visto diretamente por um telescópio, o seu curto período orbital de apenas 19,5 horas torna-o ideal para a espetroscopia de curva de fase, uma técnica que envolve a medição de pequenas alterações no brilho do sistema estrela-planeta à medida que o planeta orbita a estrela.
Uma vez que a quantidade de luz infravermelha média emitida por um objeto depende em grande parte da sua temperatura, os dados de brilho captados pelo Webb podem ser usados para calcular a temperatura do planeta.
Crédito: ciência – Taylor J. Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Universidade de Leicester); design gráfico – NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
A equipa utilizou o MIRI (Mid-Infrared Instrument) do Webb para medir a luz do sistema WASP-43 de 10 em 10 segundos, durante mais de 24 horas. “Ao observar uma órbita inteira, conseguimos calcular a temperatura dos diferentes lados do planeta à medida que ficam visíveis”, explicou Bell. “A partir daí, pudemos construir um mapa aproximado da temperatura em todo o planeta”.
As medições mostram que o lado diurno tem uma temperatura média de quase 1250 graus Celsius – quente o suficiente para forjar ferro. Entretanto, o lado noturno é significativamente mais frio, com 600 graus Celsius. Os dados também ajudam a localizar o ponto mais quente do planeta, que está deslocado ligeiramente para leste do ponto que recebe mais radiação estelar, onde a estrela está mais alta no céu do planeta. Este deslocamento ocorre devido aos ventos supersónicos, que deslocam o ar aquecido para leste.
“O facto de podermos mapear a temperatura desta forma é uma verdadeira prova da sensibilidade e estabilidade do Webb”, disse Michael Roman, um coautor da Universidade de Leicester no Reino Unido.
Para interpretar o mapa, a equipa utilizou complexos modelos atmosféricos 3D, como os utilizados para compreender a meteorologia e o clima na Terra. A análise mostra que o lado noturno está provavelmente coberto por uma camada espessa e alta de nuvens que impedem que parte da luz infravermelha escape para o espaço. Como resultado, o lado noturno – embora muito quente – parece mais escuro e mais frio do que seria se não houvesse nuvens.
Crédito: ciência – Taylor J. Bell (BAERI), Joanna Barstow (The Open University), Michael Roman (Universidade de Leicester); design gráfico – NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Metano em falta e ventos fortes
O amplo espetro de luz infravermelha média captada pelo Webb também permitiu medir a quantidade de vapor de água (H2O) e metano (CH4) à volta do planeta. “O Webb deu-nos a oportunidade de descobrir exatamente que moléculas estamos a ver e de estabelecer alguns limites para as suas abundâncias”, disse Joanna Barstow, coautora da The Open University no Reino Unido.
Os espetros mostram sinais claros de vapor de água tanto no lado noturno como no lado diurno do planeta, fornecendo informações adicionais sobre a espessura das nuvens e a altura a que se estendem na atmosfera.
Surpreendentemente, os dados também mostram uma clara ausência de metano em qualquer parte da atmosfera. Embora o lado diurno seja demasiado quente para que o metano exista (a maior parte do carbono deve estar sob a forma de monóxido de carbono), o metano deve ser estável e detetável no lado noturno e mais frio.
“O facto de não vermos metano diz-nos que WASP-43b deve ter velocidades de vento que atingem qualquer coisa como 8000 quilómetros por hora”, explicou Barstow. “Se os ventos movem o gás do lado diurno para o lado noturno e vice-versa com rapidez suficiente, não há tempo suficiente para que as reações químicas esperadas produzam quantidades detetáveis de metano no lado noturno”.
A equipa pensa que, devido a esta mistura conduzida pelo vento, a química atmosférica é a mesma a toda à volta do planeta, o que não era evidente em trabalhos anteriores com o Hubble e com o Spitzer.
// NASA (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// Universidade de Leicester (comunicado de imprensa)
// The Open University (comunicado de imprensa)
// Instituto Max Planck (comunicado de imprensa)
// Universidade de Exeter (comunicado de imprensa)
// Universidade de Leiden (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Astronomy)
// Artigo científico (arXiv.org)
// Artigo científico complementar (arXiv.org)
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