Webb encontra atmosfera em um exoplaneta rochoso pela primeira vez

O gás que sobe de uma superfície coberta de lava em 55 Cancri e pode alimentar uma atmosfera rica em dióxido de carbono ou monóxido de carbono.

Hoje em dia, detectar a atmosfera de um planeta a dezenas ou mesmo centenas de anos-luz da Terra pode não parecer grande coisa. Os cientistas encontraram evidências de atmosferas em torno de dezenas de exoplanetas nas últimas duas décadas. O problema é que todos estes planetas têm atmosferas espessas dominadas por hidrogénio que são relativamente fáceis de estudar. As finas camadas de gás que cercam alguns exoplanetas pequenos e rochosos permanecem desconhecidas.

Os investigadores pensam que podem ter finalmente vislumbrado a atmosfera rica e volátil que rodeia um planeta rochoso. A luz emitida por áreas quentes é altamente radiante Exoplaneta 55 Cancri e mostra evidências convincentes de uma atmosfera, possivelmente rica em dióxido de carbono ou monóxido de carbono, que fluiria de um vasto oceano de lava que cobre a superfície do planeta.

O resultado é a melhor evidência até agora da existência de uma atmosfera para um planeta rochoso fora do nosso sistema solar.

O conceito deste artista mostra como poderia ser o exoplaneta 55 Cancri e. Também chamado de Janssen, 55 Cancri e é a chamada super-Terra, um planeta rochoso muito maior que a Terra, mas menor que Netuno, que orbita sua estrela a uma distância de apenas 1,4 milhão de milhas (0,015 UA), completando uma órbita completa. Em menos de 18 horas. (Mercúrio está 25 vezes mais longe do Sol do que a sua estrela, 55 Cancri e). Este sistema, que também inclui quatro grandes planetas gigantes gasosos, está localizado a cerca de 41 anos-luz da Terra, na constelação de Câncer. Crédito da imagem: NASA, ESA, Agência Espacial Canadense, Ralph Crawford (STScI)

O Telescópio Espacial Webb sugere uma possível atmosfera em torno de um exoplaneta rochoso

Os pesquisadores usam NASAde Telescópio Espacial James Webb Eles podem ter detectado gases atmosféricos em torno de 55 Cancri e, um exoplaneta quente e rochoso localizado a 41 anos-luz da Terra. Esta é a melhor evidência de que qualquer planeta rochoso fora do nosso sistema solar tem alguma atmosfera.

Renew é do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (Laboratório de Propulsão a Jato) em Pasadena, Califórnia, é o autor principal de um artigo publicado em 8 de maio natureza. “Webb amplia os limites da caracterização de exoplanetas para planetas rochosos”, disse Hu. “Isso realmente permite um novo tipo de ciência.”

Terra superquente 55 Cancri E

55 Cancri e, também conhecido como Janssen, é um dos cinco planetas conhecidos que orbitam a estrela semelhante ao Sol 55 Cancri, na constelação de Câncer. Com um diâmetro quase o dobro do da Terra e uma densidade um pouco maior, o planeta é classificado como uma super-Terra: maior que a Terra e menor que a Terra. NetunoEles são provavelmente semelhantes em composição aos planetas rochosos do nosso sistema solar.

No entanto, descrever o 55 Cancri e como “rochoso” pode deixar uma impressão errada. O planeta orbita perto da sua estrela (cerca de 2,3 milhões de quilómetros, ou 20/25 da distância entre Mercúrio e o Sol), e a sua superfície está provavelmente derretida – um oceano borbulhante de magma. Com uma órbita tão estreita, o planeta provavelmente também está bloqueado pelas marés, com o seu lado diurno voltado para a estrela o tempo todo e o seu lado noturno em escuridão perpétua.

Apesar das inúmeras observações desde que o seu trânsito foi descoberto em 2011, a questão de saber se 55 Cancri e tem ou não uma atmosfera – ou mesmo poderia Um deles permaneceu sem resposta devido à sua alta temperatura e ao constante ataque de radiação estelar e ventos de sua estrela.

“Tenho trabalhado neste planeta há mais de uma década”, disse Diana Dragomir, pesquisadora de exoplanetas da Universidade do Novo México e coautora do estudo. “Foi realmente frustrante que nenhum dos comentários que recebemos tenha trazido uma solução sólida para esses mistérios. Estou feliz por finalmente termos algumas respostas!”

Ao contrário das atmosferas de planetas gigantes gasosos, que são relativamente fáceis de detectar ( Foi revelado pela primeira vez Pela NASA telescópio espacial Hubble Por mais de duas décadas), as atmosferas mais finas e densas que cercam os planetas rochosos permaneceram indefinidas.

Estudos anteriores sobre 55 Cancri e usando dados do agora aposentado Telescópio Espacial Spitzer da NASA sugeriram a presença de uma grande atmosfera rica em voláteis (moléculas encontradas na forma de gás na Terra), como oxigênio, nitrogênio e dióxido de carbono. Mas os investigadores não conseguiram descartar outra possibilidade: a de que o planeta esteja vazio, exceto por uma frágil manta de rocha evaporada, rica em elementos como silício, ferro, alumínio e cálcio. “O planeta é tão quente que parte da rocha derretida deve ter evaporado”, explicou Ho.

Esta curva de luz mostra a mudança no brilho do sistema 55 Cancri, à medida que o planeta rochoso 55 Cancri e, o mais próximo dos cinco planetas conhecidos no sistema, se move atrás da estrela. Este fenômeno é conhecido como eclipse secundário.
Quando o planeta está perto da estrela, a luz infravermelha média da estrela e do lado diurno do planeta atinge o telescópio, fazendo com que o sistema pareça mais brilhante. Quando o planeta está atrás da estrela, a luz do planeta é bloqueada e apenas a luz da estrela atinge o telescópio, resultando numa diminuição do brilho aparente.
Os astrônomos podem subtrair o brilho de uma estrela do brilho combinado da estrela e do planeta para calcular quanta luz infravermelha vem do lado diurno do planeta. Isso é então usado para calcular a temperatura diurna e deduzir se o planeta tem ou não atmosfera.
Crédito da imagem: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Belo-Aroff (NASA-JPL)

Meça diferenças sutis em cores infravermelhas

Para distinguir entre as duas possibilidades, a equipe usou a NIRCam (câmera infravermelha próxima) e o MIRI (instrumento infravermelho médio) de Webb para medir a luz infravermelha de 4 a 12 mícrons vinda do planeta.

Embora Webb não consiga obter uma imagem direta de 55 Cancri e, consegue medir mudanças subtis na luz do sistema à medida que o planeta orbita a estrela.

Ao subtrair o brilho durante um eclipse secundário (ver imagem acima), quando o planeta está atrás da estrela (apenas luz estelar), do brilho quando o planeta está mesmo próximo da estrela (luz da estrela e do planeta combinados), a equipa foi capaz de calcular a quantidade de diferentes comprimentos de onda dos raios de luz infravermelha vindos do lado diurno do planeta.

Este método, conhecido como espectroscopia de eclipse secundário, é semelhante ao utilizado por outras equipas de investigação para procurar atmosferas noutros exoplanetas rochosos, como o TRAPPIST-1 b.

O espectro de emissão térmica capturado por Webb NIRCam (Near Infrared Camera) em novembro de 2022, e MIRI (Mid-Infrared Instrument) em março de 2023, mostra o brilho (eixo y) de diferentes comprimentos de onda de luz infravermelha (eixo x) emitida. Pelo exoplaneta gigante 55 Cancri e. O espectro mostra que o planeta pode estar rodeado por uma atmosfera rica em dióxido de carbono ou monóxido de carbono e outros voláteis, e não apenas rocha vaporizada.
O gráfico compara os dados coletados pelo NIRCam (pontos laranja) e MIRI (pontos roxos) com dois modelos diferentes. O modelo A, em vermelho, mostra como seria o espectro de emissão de 55 Cancri e se tivesse uma atmosfera feita de rocha em evaporação. O modelo B, em azul, mostra como seria o espectro de emissão se o planeta tivesse uma atmosfera rica em voláteis emitida por um oceano de magma com conteúdo volátil semelhante ao manto da Terra. Os dados MIRI e NIRCam são consistentes com o modelo rico em voláteis.
A quantidade de luz infravermelha média emitida pelo planeta (MIRI) mostra que a temperatura diurna é muito mais baixa do que seria se não houvesse uma atmosfera para distribuir o calor do lado diurno para o noturno. A queda no espectro entre 4 e 5 mícrons (dados NIRCam) pode ser explicada pela absorção desses comprimentos de onda pelas moléculas de monóxido de carbono ou dióxido de carbono na atmosfera.
Créditos da imagem: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmstead (STScI), Renew Ho (NASA-JPL), Aaron Bello-Aroff (NASA-JPL), Michael Chang (Universidade de Chicago), Mantas Zilinskas (SRON)

Mais frio do que o esperado

A primeira indicação de que 55 Cancri e poderia ter uma atmosfera significativa veio de medições de temperatura baseadas na sua emissão térmica (ver imagem acima), ou energia térmica emitida na forma de luz infravermelha. Se o planeta estivesse coberto por rocha escura e derretida, com um fino véu de rocha vaporizada ou sem atmosfera alguma, o lado diurno deveria estar em torno de 4.000 graus. F (~2200 graus Celsius).

“Em vez disso, os dados do MIRI mostraram uma temperatura relativamente baixa de cerca de 2.800 graus Fahrenheit [~1540 degrees Celsius]Ele disse. “Esta é uma indicação muito forte de que a energia é distribuída do lado diurno para o lado noturno, provavelmente através de uma atmosfera rica e volátil.” Embora os fluxos de lava possam transportar algum calor para o lado noturno, eles não conseguem movê-lo com eficiência suficiente para compensar o efeito de resfriamento.

Quando a equipe analisou os dados do NIRCam, viu padrões consistentes com uma atmosfera rica e volátil.

“Vemos evidências de uma queda no espectro entre 4 e 5 mícrons, e menos dessa luz chega ao telescópio”, explicou o coautor Aaron Bello-Aroff, também do JPL da NASA. “Isso indica a presença de uma atmosfera contendo monóxido de carbono ou dióxido de carbono, que absorve esses comprimentos de onda de luz.” Um planeta sem atmosfera ou com uma atmosfera constituída apenas por rocha vaporizada não teria esta característica espectral específica.

“Passámos os últimos 10 anos a modelar diferentes cenários, tentando imaginar como seria este mundo”, disse a co-autora Yamila Miguel do Observatório de Leiden e do Instituto Holandês de Investigação Espacial (SRON). “Finalmente, obtendo alguma validação pelo nosso trabalho inestimável!”

Oceano de magma borbulhante

A equipe acredita que os gases que cobrem 55 Cancri e emergirão de dentro, em vez de estarem presentes desde a formação do planeta. “A atmosfera central teria desaparecido há muito tempo devido à alta temperatura e à intensa radiação da estrela”, disse Bello-Arov. “Esta será uma atmosfera secundária que será constantemente reabastecida pelo oceano de magma. O magma não é apenas cristais líquidos e rochas; há também muito gás dissolvido nele.

Embora 55 Cancri e seja demasiado quente para ser habitável, os investigadores acreditam que poderá fornecer uma janela única para estudar as interações entre a atmosfera, as superfícies e o interior dos planetas rochosos, e talvez oferecer informações sobre as condições primitivas da Terra. VênusE MarteQue se acredita ter sido coberto por oceanos de magma no passado distante. “Em última análise, queremos compreender que condições tornam possível a um planeta rochoso manter uma atmosfera rica em gás: um ingrediente essencial para um planeta habitável”, disse Hu.

Esta pesquisa foi conduzida como parte do Programa Webb de Observadores Gerais (GO) para 1952. Observações adicionais do eclipse secundário de 55 Cancri e estão atualmente sendo analisadas.

Referência: “Uma atmosfera secundária no exoplaneta rochoso 55 Cancri e” por Renyu Hu, Aaron Belo-Aroff, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christian van Botchem, Michael Pace, Jayeshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Shusher , Apoorva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandecker e Bryce Olivier Demauri, 8 de maio de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-024-07432-x

O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório de ciências espaciais do mundo. Webb resolve os mistérios do nosso sistema solar, olha além dos mundos distantes em torno de outras estrelas e explora as misteriosas estruturas e origens do nosso universo e o nosso lugar nele. WEB é um programa internacional liderado pela NASA com os seus parceiros, a Agência Espacial Europeia (ESA).Agência Espacial Europeia) e a Agência Espacial Canadense.