JWST revela a atmosfera do sub-Netuno TOI-421 b

A noção de que o nosso Sistema Solar seria um modelo típico para outros sistemas planetários não resistiu à era das descobertas de exoplanetas.

Missões como Kepler e TESS deixaram claro, por exemplo, que o nosso sistema nem sequer abriga o tipo de planeta mais comum: os sub-Netunos. Esses mundos são um quebra-cabeça para cientistas planetários - e o JWST está a ajudar a desmontar esse enigma.

O que os sub-Netunos revelam sobre outros sistemas planetários

Sub-Netunos são exoplanetas com raio maior do que o da Terra, mas menor do que o de Netuno. Em geral, eles exibem atmosferas enevoadas, o que torna a observação um desafio.

Ainda assim, as capacidades do JWST para observar no infravermelho estão a permitir que especialistas em exoplanetas compreendam melhor esses mundos tão abundantes.

A origem desse tipo de planeta continua envolta em incertezas, e explicar por que existem tantos sub-Netunos é uma linha de pesquisa central na ciência de exoplanetas. Além de serem numerosos, astrónomos encontraram até uma estrela acompanhada por seis deles.

A maioria dos sub-Netunos conhecidos orbita anãs M - estrelas pequenas e frias, também chamadas de anãs vermelhas. Mas há uma exceção de grande interesse: o TOI-421 b, que gira em torno de uma estrela do tipo G, muito semelhante ao Sol.

TOI-421 b: um sub-Netuno quente em torno de uma estrela do tipo G

Para esse programa científico, a temperatura do planeta é uma peça-chave. O TOI-421 b está cerca de 150 K acima do limiar associado a reações químicas que produzem a névoa característica dos sub-Netunos, o que o transforma num alvo especialmente atraente para o JWST.

Por que a temperatura importa para a névoa fotoquímica

Um novo estudo publicado nas Cartas do Jornal Astrofísico apresentou os resultados das observações do JWST. O trabalho tem o título “TOI-421 b: um sub-Netuno quente com uma atmosfera sem névoa, de baixo peso molecular médio”.

O autor principal é Brian Davenport, do Departamento de Astronomia da Universidade de Maryland. A coautora Eliza Kempton, do mesmo departamento, atua como investigadora principal do JWST.

“Eu esperei a minha carreira inteira pelo Webb para que pudéssemos caracterizar de forma significativa as atmosferas desses planetas menores”, disse Kempton.

“Ao estudar as atmosferas, estamos a entender melhor como os sub-Netunos se formaram e evoluíram, e parte disso é entender por que eles não existem no nosso sistema solar.”

Os cientistas querem explicar essa ausência porque a resposta está ligada ao processo de formação. Entre os aspetos intrigantes da população de exoplanetas está a chamada “lacuna do raio” (ou “vale do raio”).

Há uma escassez relativa de planetas com tamanhos entre aproximadamente 1,5 e 2,0 raios terrestres, e os mundos tendem a aparecer como super-Terras menores ou como sub-Netunos maiores. É possível que planetas cheguem a se formar dentro dessa lacuna (ou vale), mas depois percam atmosfera devido à radiação da estrela, tornando-se super-Terras.

O que o JWST mediu na atmosfera e as implicações para o “vale do raio”

Em comparação com outros tipos de exoplanetas, sub-Netunos não são fáceis de observar. Antes do JWST, os astrónomos tinham poucas informações sobre eles. O que se via eram espectros de transmissão relativamente planos e sem detalhes marcantes.

Na prática, isso significava que nada se destacava: não apareciam “impressões digitais” químicas visíveis. A interpretação foi de que esses planetas estariam cobertos por uma névoa espessa e por nuvens.

“Suspeita-se fortemente que a névoa fotoquímica seja a culpada pelos espectros atenuados”, explicaram Kempton e colegas na proposta de observação com o JWST.

“Tais névoas são previstas para se formar num intervalo de temperatura limitado - principalmente abaixo de 850 K. A implicação é que planetas mais quentes do que essa temperatura de corte devem estar livres de névoas obscurecedoras e devem apresentar atmosferas claras, ideais para investigações atmosféricas.

“Com isso em mente, propomos obter o espectro de transmissão do TOI421b - o sub-Netuno de maior S/N que é quente o suficiente (Teq~1.000 K) para esperar condições sem névoa.”

Por ser mais quente do que o normal para um sub-Netuno, o TOI-421 b parecia oferecer uma oportunidade de enxergar esse tipo de planeta com mais clareza.

“Por que observámos este planeta, o TOI-421 b? Foi porque achámos que talvez ele não tivesse névoas”, disse Kempton. “E a razão é que havia alguns dados anteriores que sugeriam que talvez planetas acima de um certo intervalo de temperatura estivessem menos envolvidos por névoa ou nuvens do que outros.”

O JWST correspondeu à expectativa e entregou um espectro da atmosfera do exoplaneta.

“Vimos características espectrais que atribuímos a vários gases, e isso permitiu determinar a composição da atmosfera”, afirmou o autor principal Davenport, doutorando do terceiro ano que conduziu a análise principal dos dados.

“Enquanto, com muitos dos outros sub-Netunos observados anteriormente, sabemos que as atmosferas são feitas de alguma coisa, mas tudo está a ser bloqueado pela névoa.”

Os investigadores ficaram surpreendidos porque os resultados do JWST apontaram para uma atmosfera com grande quantidade de hidrogénio.

“Nós tínhamos acabado de nos acostumar com a ideia de que aqueles primeiros sub-Netunos observados pelo Webb tinham atmosferas de moléculas pesadas; isso tinha virado a nossa expectativa - e então encontrámos o oposto”, disse Kempton.

A consequência desse resultado é que o TOI-421 b pode ter-se formado e evoluído de modo diferente quando comparado a sub-Netunos mais frios.

As medições do JWST também indicam que a atmosfera do TOI-421 b espelha a composição da sua estrela.

“Se você simplesmente pegasse o mesmo gás que formou a estrela hospedeira, colocasse por cima da atmosfera de um planeta e o deixasse na temperatura muito mais fria deste planeta, obteria a mesma combinação de gases. Esse processo está mais alinhado com os planetas gigantes do nosso sistema solar e é diferente de outros sub-Netunos que foram observados com o Webb até agora”, disse Kempton.

Na parte final do artigo, os autores discutem o que isso implica. Cientistas de exoplanetas consideram que sub-Netunos e super-Terras começam como núcleos rochosos que atraem atmosferas de hidrogénio a partir da nebulosa. Ao longo do tempo, a exposição à radiação da estrela tende a arrancar essas atmosferas, e a perda de massa impulsionada pelo núcleo também pode ter contribuído.

Nesse cenário, os sub-Netunos teriam núcleos mais massivos e conseguiriam manter a atmosfera, ao contrário das super-Terras. Essa diferença ajudaria a explicar o vale do raio.

“Esses resultados, juntamente com a nossa fração de massa total inferida de ~1 por cento de H/He, implicam que o TOI-421 b abriga uma atmosfera primordial, em linha com as previsões de que o vale do raio é moldado por processos de perda de massa”, escrevem os autores na conclusão.

“As diferenças tentadoras entre as propriedades da atmosfera do TOI-421 b e as de outros sub-Netunos observados pelo JWST orbitando estrelas anãs K tardias e M indicam a necessidade de mais estudos de objetos nesta classe”, acrescentam.

Os resultados abrem perguntas diretas: outros sub-Netunos quentes que orbitam estrelas parecidas com o Sol também se comportam assim? Ou o TOI-421 b é um caso isolado, e as populações de exoplanetas são simplesmente muito diversas? Só novas observações poderão esclarecer.

“Desbloqueámos uma nova forma de olhar para esses sub-Netunos”, disse Davenport.

“Esses planetas de alta temperatura são adequados para caracterização. Então, ao olhar para sub-Netunos nesta faixa de temperatura, talvez tenhamos mais chances de acelerar a nossa capacidade de aprender sobre esses planetas.”

Este artigo foi publicado originalmente pelo portal Universo Hoje. Leia o artigo original.