Avanço do Telescópio Webb: Primeira Descoberta Atmosférica em Planeta Super Rochoso

Uma pesquisa recente encontrou evidências de uma atmosfera em 55 Cancri e, um exoplaneta rochoso a apenas 41 anos-luz de distância. Apesar da sua proximidade com a sua estrela semelhante ao Sol, que provoca calor extremo e uma superfície derretida, o planeta provavelmente tem uma atmosfera secundária formada a partir de processos vulcânicos. (Conceito do artista.)

O gás que borbulha de uma superfície coberta de lava no exoplaneta 55 Cancri e pode alimentar uma atmosfera rica em dióxido de carbono ou monóxido de carbono.

Localizado a apenas 41 anos-luz da Terra, o exoplaneta 55 Cancri e é tão intensamente quente que os cientistas já duvidaram da sua capacidade de sustentar uma atmosfera. No entanto, um estudo recente conduzido por uma equipa nacional de cientistas sugere que 55 Cancri e pode ser o primeiro exoplaneta rochoso confirmado com atmosfera.

Publicado na Nature , o artigo intitulado “Uma Atmosfera Secundária no Exoplaneta Rochoso 55 Cnc e” foi de autoria de pesquisadores do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA , do Instituto de Tecnologia da Califórnia , da Universidade de Chicago , da Universidade do Novo México (UNM).

Características orbitais únicas

O exoplaneta 55 Cancri e orbita uma estrela semelhante ao Sol da Terra, mas ao contrário da Terra, orbita a sua estrela a uma distância excepcionalmente próxima, tornando o planeta derretido, quente e inabitável. Embora a Terra leve cerca de 365 dias para orbitar o Sol, o exoplaneta completa sua órbita completa em menos de um dia terrestre, de acordo com a NASA . Está tão perto da sua estrela que a gravidade não lhe permite rodar, por isso, durante milhares de milhões de anos, um lado viveu o dia e o outro a noite. O ambiente extremo deste planeta deveria significar que ele seria incapaz de manter a atmosfera primordial com a qual nasceu quando se formou. Neste estudo, os cientistas levantam a hipótese de que, em vez disso, os mares de magma reabastecem-se continuamente e mantêm uma atmosfera secundária. Esta atmosfera secundária provavelmente se formou mais tarde na existência do planeta, neste caso, gerada a partir da intensa atividade vulcânica desencadeada pela proximidade com a estrela.

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 significativamente maior que a Terra, mas menor que Netuno, que orbita sua estrela a uma distância de apenas 1,4 milhão de milhas (0,015 unidades astronômicas), completando uma órbita completa. em menos de 18 horas. (Mercúrio está 25 vezes mais longe do Sol do que 55 Cancri e está da sua estrela.) O sistema, que também inclui quatro grandes planetas gigantes gasosos, está localizado a cerca de 41 anos-luz da Terra, na constelação de Câncer. Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

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 significativamente maior que a Terra, mas menor que Netuno, que orbita sua estrela a uma distância de apenas 1,4 milhão de milhas (0,015 unidades astronômicas), completando uma órbita completa. em menos de 18 horas. (Mercúrio está 25 vezes mais longe do Sol do que 55 Cancri e está da sua estrela.) O sistema, que também inclui quatro grandes planetas gigantes gasosos, está localizado a cerca de 41 anos-luz da Terra, na constelação de Câncer. Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Pesquisa e tecnologia inovadoras

A professora assistente de Física e Astronomia da UNM, Diana Dragomir, fez parte do estudo recente, embora já estivesse bem familiarizada com o exoplaneta depois de contribuir para a descoberta dos seus trânsitos na sua tese de doutoramento. A densidade e o calor do Exoplaneta 55 Cancri e há muito levam a questões complexas para ela e outros que estudam exoplanetas.

“Desde a sua descoberta, este planeta tem desafiado múltiplas tentativas de compreensão das suas propriedades e composição. Esta descoberta é a informação mais clara que obtivemos até agora sobre 55 Cancri e”, disse Dragomir.

A descoberta não seria possível sem o Telescópio Espacial James Webb , que permite aos investigadores estudar exoplanetas com maior precisão do que nunca. A equipe usou imagens do telescópio Webb para analisar a luz emitida pelo exoplaneta e sua estrela. Para fazer isso, primeiro tiveram que traduzir as imagens em espectros de luz. Eles então compararam as observações com espectros criados a partir de diferentes combinações de elementos e moléculas para levantar hipóteses sobre quais composições atmosféricas potenciais o exoplaneta poderia ter. Este estudo está entre os primeiros a utilizar dados do telescópio Webb para este tipo de investigação e os modelos utilizados no estudo poderão fornecer aos futuros investigadores um processo para concluir trabalhos semelhantes para outros exoplanetas.

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 próximo da estrela, a luz infravermelha média emitida pela estrela e pelo lado diurno do planeta atinge o telescópio, e o sistema parece mais brilhante. Quando o planeta está atrás da estrela, a luz emitida pelo planeta é bloqueada e apenas a luz da estrela atinge o telescópio, fazendo com que o brilho aparente diminua.
Os astrônomos podem subtrair o brilho da 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 inferir se o planeta tem ou não uma atmosfera.
A temperatura do planeta calculada a partir desta observação é de cerca de 1.800 Kelvins (cerca de 2.800 graus Fahrenheit), o que é significativamente mais baixo do que seria esperado se o planeta não tivesse atmosfera ou apenas uma fina atmosfera de vapor de rocha. Esta temperatura relativamente baixa indica que o calor está a ser distribuído do lado diurno para o lado nocturno do planeta, possivelmente por uma atmosfera rica em voláteis.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL)

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 próximo da estrela, a luz infravermelha média emitida pela estrela e pelo lado diurno do planeta atinge o telescópio, e o sistema parece mais brilhante. Quando o planeta está atrás da estrela, a luz emitida pelo planeta é bloqueada e apenas a luz da estrela atinge o telescópio, fazendo com que o brilho aparente diminua. Os astrônomos podem subtrair o brilho da 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 inferir se o planeta tem ou não uma atmosfera. A temperatura do planeta calculada a partir desta observação é de cerca de 1.800 Kelvins (cerca de 2.800 graus Fahrenheit), o que é significativamente mais baixo do que seria esperado se o planeta não tivesse atmosfera ou apenas uma fina atmosfera de vapor de rocha. Esta temperatura relativamente baixa indica que o calor está a ser distribuído do lado diurno para o lado nocturno do planeta, possivelmente por uma atmosfera rica em voláteis. Crédito: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL)

Esforços Colaborativos e Perspectivas Futuras

A equipa de investigação levanta a hipótese de que a atmosfera do exoplaneta pode ser composta por rocha vaporizada rica em carbono, monóxido de carbono e dióxido de carbono. Embora sejam necessárias mais pesquisas para confirmar os resultados, as emissões de luz do exoplaneta e os modelos de atmosferas ricas em carbono parecem estar estreitamente alinhados. Embora os investigadores saibam que as condições extremamente adversas de 55 Cancri e o tornam inabitável, a descoberta da sua atmosfera confirma que os mais recentes telescópios disponíveis aos cientistas podem finalmente ser sensíveis o suficiente para estudar detalhadamente planetas rochosos distantes. Michael Bess, que se formou na primavera passada em Astrofísica, trabalhou com Dragomir na parte do projeto da UNM, traduzindo as imagens em espectros e executando modelos para ajudar a restringir possíveis composições atmosféricas.

“Estudar as atmosferas dos exoplanetas pode nos dizer muito sobre planetas em diferentes estágios de formação”, disse Bess. “Eventualmente, poderemos ser capazes de observar planetas semelhantes em busca de habitabilidade, porque um planeta com uma atmosfera semelhante à nossa poderia ter vida.”

Quando Bess abordou Dragomir sobre se envolver em sua pesquisa, ele nunca esperou trabalhar em um projeto de tão grande escala.

“Foi realmente emocionante”, disse Bess sobre trabalhar em um projeto tão significativo quando era estudante de graduação. “Achei tão fascinante, novo e interessante poder trabalhar com este novo telescópio incrível e com pessoas incríveis da NASA. Foi muito divertido e deu muito trabalho e aproveitei cada segundo.”

Um espectro de emissão térmica capturado pela NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb 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) emitido pelo exoplaneta super-Terra 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 deveria ser o espectro de emissão de 55 Cancri e se ele tivesse uma atmosfera feita de rocha vaporizada. O modelo B, em azul, mostra como deveria ser o espectro de emissão se o planeta tivesse uma atmosfera rica em voláteis liberada de gases de um oceano de magma que tivesse um conteúdo volátil semelhante ao do 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 sua temperatura diurna é significativamente mais baixa do que seria se não tivesse 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.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Renyu Hu (NASA-JPL), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL), Michael Zhang (Universidade de Chicago), Mantas Zilinskas (SRON)

Um espectro de emissão térmica capturado pela NIRCam (Near-Infrared Camera) de Webb 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) emitido pelo exoplaneta super-Terra 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 deveria ser o espectro de emissão de 55 Cancri e se ele tivesse uma atmosfera feita de rocha vaporizada. O modelo B, em azul, mostra como deveria ser o espectro de emissão se o planeta tivesse uma atmosfera rica em voláteis liberada de gases de um oceano de magma que tivesse um conteúdo volátil semelhante ao do 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 sua temperatura diurna é significativamente mais baixa do que seria se não tivesse 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. Crédito: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Renyu Hu (NASA-JPL), Aaron Bello-Arufe (NASA-JPL), Michael Zhang (Universidade de Chicago), Mantas Zilinskas (SRON)

Confirmações e implicações

Várias equipes, incluindo Bess e Dragomir, analisaram os dados individualmente e depois se reuniram para comparar os resultados. Verificou-se que os resultados obtidos por todas as equipes foram concordantes, o que sustentou que a interpretação dos dados estava correta. Foi um momento emocionante não só para toda a equipa de investigação, mas especialmente para Bess, cujo nível de competências ao trabalhar no projecto se equiparou ao dos investigadores que já tinham concluído o doutoramento.

“Você tem um estudante de graduação que analisou os conjuntos de dados em um nível comparável ao que seus colaboradores mais experientes fizeram, e ele também foi capaz de se comunicar e coordenar com toda a equipe de forma independente”, disse Dragomir. “Estou muito orgulhoso de Michael por isso.”

Bess iniciará seu doutorado. em Astrofísica neste outono na Universidade da Flórida . Se ele decidir continuar a pesquisa sobre 55 Cancri e, ainda haverá muito para descobrir.

Sem uma atmosfera para ajudar a reter o calor, é provável que o lado de 55 Cancri e na noite eterna esteja em torno de 400 graus Fahrenheit negativos.

Novos insights sobre um planeta de lava

“A presença de uma atmosfera em 55 Cancri e também explica a temperatura mais quente do que o esperado medida no lado noturno do planeta. Mesmo que esse lado nunca fique voltado para a estrela, a atmosfera ajuda a circular o calor do lado diurno por todo o planeta”, disse Dragomir.

Este trabalho, portanto, também confirma afirmações anteriores de que 55 Cancri e é um planeta de lava com uma superfície provavelmente derretida. Juntamente com o novo conhecimento da sua atmosfera, os cientistas podem começar a formular hipóteses sobre a composição do resto do planeta.

Mais estudos são necessários para continuar a desvendar os segredos de 55 Cancri e, mas até então, a descoberta mais recente está fora deste mundo.

Referência: “Uma atmosfera secundária no exoplaneta rochoso 55 Cancri e” por Renyu Hu, Aaron Bello-Arufe, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christiaan van Buchem, Michael Bess, Jayshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Scheucher , Apurva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandeker e Brice-Olivier Demory, 8 de maio de 2024, Nature .

DOI: 10.1038/s41586-024-07432-x

 

Fonte: scitechdaily

 

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