Será que o exoplaneta TRAPPIST-1 b tem, afinal, uma atmosfera?

Medições recentes com o JWST (James Webb Space Telescope) lançam dúvidas sobre a atual compreensão da natureza do exoplaneta TRAPPIST-1 b. Até agora, presumia-se que se tratava de um planeta rochoso escuro sem atmosfera, moldado por um impacto cósmico de radiação e meteoritos ao longo de mil milhões de anos. O oposto parece ser verdade. A superfície não mostra sinais de meteorização, o que poderia indicar atividade geológica como o vulcanismo e a tectónica de placas. Em alternativa, um planeta com uma atmosfera enevoada composta por dióxido de carbono também é viável. Os resultados demonstram os desafios de determinar as propriedades de exoplanetas com atmosferas finas.

TRAPPIST-1 b é um dos sete planetas rochosos que orbitam a estrela TRAPPIST-1, localizada a 40 anos-luz de distância. O sistema planetário é único porque permite aos astrónomos estudar sete planetas semelhantes à Terra a uma distância relativamente próxima, estando três deles na chamada zona habitável. Esta é a área num sistema planetário onde um planeta pode ter água líquida à superfície. Até à data, dez programas de investigação visaram este sistema com o Telescópio Espacial James Webb durante 290 horas.

O estudo atual, no qual estão significativamente envolvidos investigadores do Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg, Alemanha, foi liderado por Elsa Ducrot do CEA (Commissariat aux Énergies Atomiques) em Paris, França. Este estudo utiliza medições da radiação infravermelha térmica – essencialmente radiação de calor – do planeta TRAPPIST-1 b com o MIRI (Mid-Infrared Imager) do JWST e foi agora publicado na revista Nature Astronomy. A publicação inclui os resultados do ano passado, nos quais se basearam as conclusões anteriores, que descrevem TRAPPIST-1 b como um planeta rochoso escuro sem atmosfera.

A crosta de TRAPPIST-1 b poderá ser geologicamente ativa

“No entanto, a ideia de um planeta rochoso com uma superfície muito desgastada e sem atmosfera é inconsistente com as medições atuais”, diz o astrónomo do Instituto Max Planck de Astronomia, Jeroen Bouwman, que foi corresponsável pelo programa de observação. “Por isso, pensamos que o planeta está coberto por material relativamente inalterado”. Normalmente, a superfície é desgastada pela radiação da estrela central e por impactos de meteoritos. No entanto, os resultados sugerem que a rocha à superfície tem, no máximo, cerca de 1000 anos, significativamente menos do que o próprio planeta, que se estima ter vários milhares de milhões de anos.

Isto poderia indicar que a crosta do planeta está sujeita a mudanças dramáticas, que poderiam ser explicadas por vulcanismo extremo ou tectónica de placas. Apesar de tal cenário ser atualmente hipotético, não deixa de ser plausível. O planeta é suficientemente grande para que o seu interior possa ter retido calor residual da sua formação – tal como acontece com a Terra. O efeito de maré da estrela central e dos outros planetas pode também deformar TRAPPIST-1 b de modo a que a fricção interna resultante gere calor – semelhante ao que vemos na lua Io de Júpiter. Para além disso, seria concebível um aquecimento indutivo pelo campo magnético da estrela vizinha.

Poderá TRAPPIST-1 b ter, afinal, uma atmosfera?

“Os dados também permitem uma solução completamente diferente”, diz Thomas Henning, diretor emérito do Instituto Max Planck de Astronomia. Ele foi um dos principais arquitetos do instrumento MIRI. “Contrariamente às ideias anteriores, há condições em que o planeta pode ter uma atmosfera espessa e rica em dióxido de carbono (CO₂)”, acrescenta. Um papel fundamental neste cenário é a neblina de hidrocarbonetos, ou seja, smog, na atmosfera superior.

Os dois programas de observação, que se complementam no presente estudo, foram concebidos para medir o brilho de TRAPPIST-1 b em diferentes comprimentos de onda na gama do infravermelho (12,8 e 15 micrómetros). A primeira observação foi sensível à absorção da radiação infravermelha do planeta por uma camada de CO₂. No entanto, não foi medido qualquer escurecimento, o que levou os investigadores a concluir que o planeta não tem atmosfera.

A equipa de investigação efetuou cálculos de modelos que mostram que a neblina pode inverter a estratificação da temperatura de uma atmosfera rica em CO₂. Normalmente, as camadas inferiores, ao nível do solo, são mais quentes do que as superiores, devido à pressão mais elevada. À medida que a neblina absorve a luz estelar e aquece, aqueceria as camadas atmosféricas superiores, apoiada por um efeito de estufa. Como resultado, o dióxido de carbono emite ele próprio radiação infravermelha.

Vemos algo semelhante a acontecer na lua de Saturno, Titã. A sua camada de neblina forma-se, muito provavelmente, sob a influência da radiação ultravioleta (UV) do Sol, proveniente dos gases ricos em carbono da atmosfera. Um processo semelhante pode ocorrer em TRAPPIST-1 b devido ao facto da sua estrela emitir uma radiação UV substancial.

É complicado

Mesmo que os dados se ajustem a este cenário, os astrónomos continuam a considerá-lo menos provável em comparação. Por um lado, é mais difícil, embora não impossível, produzir hidrocarbonetos que formam uma neblina a partir de uma atmosfera rica em CO₂. A atmosfera de Titã, no entanto, é constituída principalmente por metano. Por outro lado, o problema continua a ser que as estrelas anãs vermelhas ativas, que incluem TRAPPIST-1, produzem radiação e ventos que podem facilmente corroer as atmosferas de planetas próximos ao longo de milhares de milhões de anos.

TRAPPIST-1 b é um exemplo da dificuldade atual em detetar e determinar as atmosferas de planetas rochosos – mesmo para o Webb. São finas quando comparadas com as dos planetas gasosos e produzem apenas fracas assinaturas mensuráveis. As duas observações para estudar TRAPPIST-1 b, que forneceram valores de brilho em dois comprimentos de onda, duraram quase 48 horas, o que não foi suficiente para determinar sem margem para dúvidas se o planeta tem uma atmosfera.

Eclipses e ocultações como ferramenta

As observações tiraram partido da ligeira inclinação do plano dos planetas em relação à nossa linha de visão de TRAPPIST-1. Esta orientação faz com que os sete planetas passem à frente da estrela e a escureçam ligeiramente durante cada órbita. Consequentemente, isto permite aprender sobre a natureza e as atmosferas dos planetas de várias formas.

A chamada espetroscopia de trânsito provou ser um método fiável. Trata-se de medir o escurecimento de uma estrela pelo seu planeta, consoante o comprimento de onda. Para além da ocultação pelo corpo planetário opaco, a partir da qual os astrónomos determinam o tamanho do planeta, os gases atmosféricos absorvem a luz da estrela em comprimentos de onda específicos. A partir daí, podem deduzir se um planeta tem uma atmosfera e em que consiste. Infelizmente, este método tem desvantagens, especialmente para sistemas planetários como TRAPPIST-1. As estrelas anãs vermelhas e frias apresentam frequentemente grandes manchas estelares e fortes erupções, afetando significativamente a medição.

Os astrónomos contornam em grande parte este problema observando o lado de um exoplaneta aquecido pela estrela na luz infravermelha térmica, como no estudo atual com TRAPPIST-1 b. O brilhante lado diurno é particularmente fácil de ver imediatamente antes e depois do planeta desaparecer atrás da estrela. A radiação infravermelha que o planeta liberta contém informação sobre a sua superfície e atmosfera. No entanto, estas observações são mais demoradas do que a espetroscopia de trânsito.

Dado o potencial destas medições do chamado eclipse secundário, a NASA aprovou recentemente um extenso programa de observação para estudar as atmosferas de planetas rochosos em torno de estrelas próximas de baixa massa. Este programa extraordinário, “Rocky Worlds”, inclui 500 horas de observação com o Telescópio James Webb.

Certezas sobre TRAPPIST-1 b

A equipa de investigação espera poder obter uma confirmação definitiva utilizando outra variante de observação. Regista a órbita completa do planeta em torno da estrela, incluindo todas as fases de iluminação, desde o lado noturno, quando passa em frente da estrela, até ao brilhante lado diurno, pouco antes e depois de ser coberto pela estrela. Esta abordagem permitirá à equipa criar a chamada curva de fase, que indica a variação do brilho do planeta ao longo da sua órbita. Como resultado, os astrónomos podem deduzir a distribuição da temperatura da superfície do planeta.

A equipa já efetuou esta medição com TRAPPIST-1 b. Ao analisar a forma como o calor se distribui pelo planeta, podem deduzir a presença de uma atmosfera. Isto porque uma atmosfera ajuda a transportar o calor do lado diurno para o lado noturno. Se a temperatura mudar abruptamente na transição entre os dois lados, isso indica a ausência de uma atmosfera.

// Instituto Max Planck de Astronomia (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Astronomy)
// Artigo científico (arXiv.org)

Saiba mais:

Sistema TRAPPIST-1:
ipac/Caltech/NASA
Wikipedia
Open Exoplanet Catalogue
TRAPPIST-1 b (NASA)
TRAPPIST-1 b (Wikipedia)
TRAPPIST-1 b (Exoplanet.eu) 
TRAPPIST-1 c (NASA)
TRAPPIST-1 c (Wikipedia) 
TRAPPIST-1 c (Exoplanet.eu)
TRAPPIST-1 d (NASA)
TRAPPIST-1 d (Wikipedia)
TRAPPIST-1 d (Exoplanet.eu)
TRAPPIST-1 e (NASA)
TRAPPIST-1 e (Wikipedia)
TRAPPIST-1 e (Exoplanet.eu)
TRAPPIST-1 f (NASA)
TRAPPIST-1 f (Wikipedia)
TRAPPIST-1 f (Exoplanet.eu)
TRAPPIST-1 g (NASA)
TRAPPIST-1 g (Wikipedia)
TRAPPIST-1 g (Exoplanet.eu)
TRAPPIST-1 h (NASA)
TRAPPIST-1 h (Wikipedia)
TRAPPIST-1 h (Exoplanet.eu)

Exoplanetas:
Wikipedia
Lista de planetas (Wikipedia)
Lista de exoplanetas potencialmente habitáveis (Wikipedia)
Lista de exoplanetas mais próximos (Wikipedia)
Lista de extremos (Wikipedia)
Lista de exoplanetas candidatos a albergar água líquida (Wikipedia)
Open Exoplanet Catalogue
NASA
Exoplanet.eu

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