JWST revela nuvens e disco de olivina em exoplanetas do sistema YSES-1

Novas imagens do JWST chegaram tão perto quanto já conseguimos de vislumbrar o “céu” de um mundo alienígena fora do Sistema Solar.

Imagens diretas de um exoplaneta gigante gasoso em órbita de uma estrela chamada YSES-1 revelaram nuvens de areia finíssima pairando nas camadas altas da atmosfera. Além disso, observações parecidas de um mundo vizinho indicam que ele está envolto por um grande disco turbulento, rico em olivina - um mineral que, na Terra, pode dar origem à gema peridoto.

"Tudo é empolgante nesses dois resultados", disse à ScienceAlert o astrofísico e autor principal Kielan Hoch, do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial.

"As observações foram inéditas porque conseguimos observar 'dois pelo preço de um' com o JWST NIRSpec, e descobrir duas características planetárias importantes em cada objeto."

Por que é tão difícil ver exoplanetas diretamente

Planetas fora do nosso Sistema Solar são alvos difíceis. Ver um exoplaneta diretamente é extremamente complicado: eles estão muito distantes, são pequenos e pouco brilhantes e, ainda por cima, ficam ofuscados pela luz intensa das estrelas que orbitam.

Dos quase 6.000 já confirmados até hoje, a imensa, imensa maioria só foi detectada e medida de forma indireta - isto é, por alterações que sua presença provoca na luz da estrela hospedeira. Apenas cerca de 80 exoplanetas foram observados diretamente.

É verdade que dá para aprender muito sobre um planeta pela forma como ele “puxa” o ambiente ao redor ou ao passar em frente de sua estrela. Mesmo assim, medir a luz que o próprio planeta emite pode revelar muito mais. O problema é que separar esse sinal fraco exige instrumentos poderosos, mesmo quando se trata dos exoplanetas mais próximos.

JWST, NIRSpec e o sistema YSES-1

O sistema YSES-1 fica a apenas 306 anos-luz e abriga dois planetas conhecidos: o YSES-1b, mais próximo da estrela, a uma distância de 160 unidades astronómicas, e o YSES-1c, a 320 unidades astronómicas. O YSES-1c tem aproximadamente seis vezes a massa de Júpiter, enquanto o YSES-1b é o maior dos dois, com cerca de 14 vezes a massa de Júpiter - encostando no limite de massa entre planetas e anãs marrons.

Observações diretas anteriores desse sistema já sugeriam que os mundos poderiam ter propriedades atmosféricas interessantes, mas os instrumentos usados na época não tinham sensibilidade suficiente para identificá-las.

Aí entrou o JWST.

"Com o instrumento NIRSpec do JWST, conseguimos obter imagens dos planetas em milhares de comprimentos de onda ao mesmo tempo. Essas imagens podem ser processadas para produzir espectros, que são a luz térmica vinda do próprio planeta", explicou Hoch.

"Quando a luz atravessa a atmosfera do exoplaneta, parte dela é absorvida por moléculas, o que provoca quedas no brilho do planeta. É assim que conseguimos dizer do que as atmosferas são feitas!"

O resultado foi o conjunto de dados espectrais mais detalhado já reunido até agora para um sistema com múltiplos planetas.

Atmosferas de YSES-1c e YSES-1b: onde as semelhanças acabam

Nos dois exoplanetas, os investigadores encontraram indícios de água, monóxido de carbono, dióxido de carbono e metano na atmosfera - componentes relativamente comuns. O que chama a atenção é o ponto em que os dois deixam de se parecer.

"Para o YSES-1c, vemos muitas características moleculares de água, dióxido de carbono e monóxido de carbono, e metano. Em comprimentos de onda mais longos, vemos absorção causada por partículas de silicatos, que tem um formato espectral diferente", disse Hoch.

"Usamos dados de laboratório de diferentes partículas e estruturas para modelar quais silicatos se ajustam melhor aos dados e determinar outras propriedades dessas partículas. Nossos modelos mostram que poderia haver pequenas partículas de silicatos em grandes altitudes na atmosfera, que podem conter pequenas quantidades de ferro, que precipita para fora das nuvens. No entanto, nossos modelos também mostram que uma mistura composta apenas por silicatos também pode se ajustar aos dados."

No caso do YSES-1b, não apareceu essa mesma assinatura espectral - mas surgiu outra pista importante: o sinal de pequenos grãos de olivina num disco ao redor do exoplaneta.

A olivina é um mineral que se forma em condições vulcânicas na Terra; em exemplares especialmente finos e de qualidade gemológica, ela forma o peridoto. A olivina também aparece em meteoritos, o que sugere que o mineral se forma com facilidade em cenários com rocha fundida.

O intrigante é que ela não deveria ser vista como poeira ao redor do YSES-1b. Segundo Hoch, a sedimentação da poeira é um processo eficiente e esperado para levar, no máximo, cerca de 5 milhões de anos. Já o sistema YSES-1 tem idade estimada em aproximadamente 16,7 milhões de anos. Uma possibilidade é que a poeira rica em olivina seja detrito de uma colisão entre objetos orbitando perto do YSES-1b - o que significaria que as observações captaram um momento raramente oportuno no tempo cósmico.

Os dois conjuntos de resultados, cada um à sua maneira, são impressionantes.

"Esperávamos detectar nuvens na atmosfera do YSES-1c, já que se teorizou que o tipo espectral dele teria uma atmosfera nublada. Mas, quando vimos a característica, ela era muito diferente de outras características de silicatos vistas em anãs marrons", afirmou Hoch.

"NÃO esperávamos ver evidência de um disco ao redor do planeta interno YSES-1b. Isso certamente foi uma surpresa."

As melhores observações em astrofísica costumam levantar pelo menos tantas perguntas quanto respostas - e o YSES-1 não foge à regra. O disco em torno do YSES-1b é uma delas, e grande. Também ainda sabemos pouco sobre atmosferas de exoplanetas e sobre quanto tempo esses objetos levam para se formar. Trabalhos em andamento, com estudos diretos das atmosferas de outros exoplanetas, devem ajudar a preencher parte dessas lacunas.

"Também fico empolgado com o resultado porque esta pesquisa foi liderada por cientistas em início de carreira. Eu era estudante de pós-graduação quando propus usar o JWST para fazer imagens desse sistema planetário, e o JWST ainda não tinha sido lançado e não foi projetado para observar exoplanetas", disse Hoch.

"Os cinco primeiros autores do manuscrito vão de um estudante de pós-graduação do primeiro ano a um pesquisador de pós-doutorado. Acredito que isso destaca a necessidade de apoiar cientistas em início de carreira, e esse é o resultado mais empolgante para mim."

A pesquisa foi publicada na Nature.