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

A noção de que o nosso Sistema Solar seria um “modelo” do que existe por aí não resistiu à era das descobertas de exoplanetas.

Missões como Kepler e TESS deixaram claro que o nosso sistema nem sequer abriga o tipo de planeta mais comum já identificado: os sub-Netunos. Esses mundos continuam a intrigar quem estuda a formação planetária - e o Telescópio Espacial James Webb (JWST) está a ajudar a desfazer parte desse quebra-cabeça.

Sub-Netunos e o enigma além do Sistema Solar

Sub-Netunos são exoplanetas com raio maior do que o da Terra, mas menor do que o de Netuno. Na maioria dos casos, eles exibem atmosferas enevoadas, o que torna as observações particularmente difíceis.

Apesar disso, a capacidade do JWST de observar no infravermelho está a permitir que cientistas de exoplanetas avancem no entendimento desses mundos onipresentes.

A origem dos sub-Netunos ainda é pouco compreendida, e explicar por que eles são tão numerosos tornou-se uma questão central na ciência de exoplanetas. Além de abundantes, astrónomos já encontraram uma estrela acompanhada por seis planetas desse tipo.

A maior parte dos sub-Netunos conhecidos orbita anãs M, estrelas pequenas e frias - as chamadas anãs vermelhas. Ainda assim, há exceções importantes, como o TOI-421b, que circula uma estrela do tipo G, muito semelhante ao Sol.

TOI-421 b e o alvo ideal para o JWST

Para este tipo de investigação, a temperatura do planeta é um ponto decisivo. No caso do TOI-421b, ela fica algumas centenas de graus acima do limiar em que reações químicas favorecem a formação da névoa pela qual os sub-Netunos são conhecidos. Isso transformou o planeta num alvo especialmente atraente para o JWST.

Um novo estudo publicado em Cartas do Jornal Astrofísico apresenta o resultado das observações do JWST. O trabalho chama-se “TOI-421 b: Um sub-Netuno quente com atmosfera sem névoa e 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, também atua como investigadora principal do JWST.

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

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

A ausência desses planetas aqui interessa porque a resposta está ligada ao modo como eles surgem. Um dos aspetos mais intrigantes na população de exoplanetas é a chamada “lacuna de raios” (ou “vale de raios”).

Há uma escassez relativa de planetas com tamanhos entre cerca de 1,5 e 2,0 raios terrestres; em geral, eles tendem a ser ou super-Terras menores, ou sub-Netunos maiores. É possível que muitos planetas se formem inicialmente nesse intervalo, mas percam atmosfera devido à radiação da estrela e acabem como super-Terras.

O que as observações do JWST mudam - e as perguntas que ficam

Em comparação com outros tipos de exoplanetas, os sub-Netunos são complicados de observar. Antes do JWST, os astrónomos tinham pouca informação sobre eles. As observações disponíveis indicavam espectros de transmissão relativamente planos e sem características marcantes.

Em termos práticos, nada “saltava aos olhos”: não se viam assinaturas químicas claras. A conclusão mais comum era a de que esses planetas estariam cobertos por uma camada espessa de névoa e nuvens.

“Há uma forte suspeita de que a névoa fotoquímica seja a culpada pelos espectros atenuados”, explicaram Kempton e os seus co-investigadores na proposta de observação com o JWST.

“Prevê-se que tais névoas se formem num intervalo limitado de temperaturas - 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 limpas, ideais para investigações atmosféricas.

“Com esse objetivo, propomos obter o espectro de transmissão de TOI421b - o sub-Netuno com maior S/N que é quente o suficiente (Teq~1,000 K) para esperar condições sem névoa.”

Por ser um sub-Netuno mais quente do que o habitual, o TOI-421b parecia oferecer uma oportunidade rara de ver com mais clareza esse tipo de mundo.

“Por que observámos este planeta, o TOI-421 b? É porque achávamos que talvez ele não tivesse névoas”, disse Kempton. “E a razão é que havia alguns dados anteriores que sugeriam que talvez planetas acima de uma certa faixa de temperatura estivessem menos envoltos por névoa ou nuvens do que outros.”

O JWST correspondeu às expectativas e entregou um espectro da atmosfera do exoplaneta.

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

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

A equipa não esperava que os resultados do JWST apontassem para uma atmosfera com grande quantidade de hidrogénio.

“Tínhamos acabado de nos habituar à ideia de que os primeiros sub-Netunos observados pelo Webb tinham atmosferas de moléculas pesadas, então essa tinha virado a nossa expectativa - e aí encontrámos o oposto”, disse Kempton.

Uma leitura possível, portanto, é que o TOI-421 b tenha seguido uma trajetória de formação e evolução diferente da dos sub-Netunos mais frios.

As medições do JWST também indicam que a composição da atmosfera do TOI-421 b se parece com 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 submetesse à 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 esses resultados podem significar. Cientistas de exoplanetas consideram que sub-Netunos e super-Terras podem começar como núcleos rochosos que atraem atmosferas de hidrogénio a partir da nebulosa do sistema. A exposição à radiação das estrelas tenderia a arrancar essas atmosferas, e a perda de massa impulsionada pelo núcleo também poderia contribuir.

Nesse cenário, os sub-Netunos teriam núcleos mais massivos e conseguiriam reter as atmosferas, ao passo que as super-Terras não - o que ajudaria a explicar o vale de raios.

“Esses achados, juntamente com a nossa fração de massa global 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 de raios 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 tardias do tipo K e do tipo M indicam a necessidade de estudos adicionais de objetos nesta classe”, acrescentam.

Os resultados deixam perguntas diretas. Outros sub-Netunos quentes em torno de estrelas parecidas com o Sol também se parecem com isso? Ou o TOI-421 b é uma exceção, e as populações de exoplanetas são simplesmente mais diversas do que supomos? Só novas observações poderão responder.

“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 com essa temperatura, talvez seja mais provável acelerar a nossa capacidade de aprender sobre esses planetas.”

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