Estudo de TRAPPIST-1 b revela novas informações sobre a sua atmosfera e estrela-mãe

Uma equipe de astrónomos deu um importante salto na nossa compreensão do intrigante sistema exoplanetário TRAPPIST-1. A sua investigação não só lançou luz sobre a natureza de TRAPPIST-1 b, o exoplaneta que orbita mais próximo da estrela do sistema, mas também mostrou a importância das estrelas-mãe no estudo de exoplanetas. As descobertas, publicadas hoje no Astrophysical Journal Letters , lançam luz sobre a complexa interação entre a atividade estelar e as características dos exoplanetas.

Esta representação artística da estrela anã vermelha TRAPPIST-1 mostra a sua natureza muito ativa. A estrela parece ter muitas manchas estelares (regiões mais frias da sua superfície, semelhantes às manchas solares) e erupções. O exoplaneta TRAPPIST-1 b, o planeta mais próximo da estrela central do sistema, pode ser visto em primeiro plano, sem atmosfera aparente. O exoplaneta TRAPPIST-1 g, um dos planetas na zona habitável do sistema, pode ser visto em segundo plano, à direita da estrela. O sistema TRAPPIST-1 contém sete exoplanetas do tamanho da Terra. Crédito: Benoît Gougeon, Universidade de Montreal 

Um sistema exoplanetário promissor

TRAPPIST-1, uma estrela muito menor e mais fria que o nosso Sol, localizada a aproximadamente 40 anos-luz de distância da Terra, chamou a atenção de cientistas e entusiastas do espaço desde a descoberta de seus sete exoplanetas do tamanho da Terra em 2016. Esses mundos, firmemente aglomerados em torno da sua estrela, com três deles dentro da sua zona habitável, alimentaram esperanças de encontrar ambientes potencialmente habitáveis ​​para além do nosso Sistema Solar.

Uma equipe de pesquisa, liderada por Olivia Lim do Instituto Trottier de Pesquisa em Exoplanetas (iREx) da Universidade de Montreal (UdeM), empregou o poderoso Telescópio Espacial James Webb (JWST) para observar o exoplaneta TRAPPIST-1 b. Essas observações foram coletadas como parte do maior programa de Observadores Gerais (GO) liderado pelo Canadá durante o primeiro ano de operações do JWST.

Este programa também incluiu observações de três outros planetas do sistema, TRAPPIST-1 c, g e h. TRAPPIST-1 b foi observado durante dois trânsitos — o momento em que o planeta passa em frente da sua estrela — utilizando o instrumento NIRISS de fabrico canadiano a bordo do JWST.

“Estas são as primeiras observações espectroscópicas de qualquer planeta TRAPPIST-1 obtidas pelo JWST, e estamos esperando por elas há anos!” exclama Olivia Lim, investigadora principal deste importante programa GO.

O estudo usou a técnica de espectroscopia de transmissão para obter informações importantes sobre as propriedades do mundo distante. Ao analisar a luz da estrela central depois de ter passado pela atmosfera do exoplaneta durante um trânsito, os astrónomos podem ver a impressão digital única deixada pelas moléculas e átomos encontrados nessa atmosfera.

“Este é apenas um pequeno subconjunto de muitas outras observações deste sistema planetário único que ainda está por vir e será analisado”, acrescenta René Doyon, investigador principal do instrumento NIRISS e coautor do estudo. “Estas primeiras observações destacam o poder do NIRISS e do JWST em geral para sondar as finas atmosferas em torno dos planetas rochosos.” 

Conheça a sua estrela, conheça o seu planeta

A principal conclusão do estudo foi o impacto significativo da atividade estelar e da contaminação ao tentar determinar a natureza de um exoplaneta. A contaminação estelar refere-se à influência das próprias características da estrela, como manchas escuras e fáculas brilhantes, nas medições da atmosfera do exoplaneta.

A equipa encontrou evidências convincentes de que a contaminação estelar desempenha um papel crucial na formação dos espectros de transmissão de TRAPPIST-1 b e, provavelmente, dos outros planetas do sistema. A atividade da estrela central pode criar “sinais fantasmas” que podem levar o observador a pensar que detectou uma molécula específica na atmosfera do exoplaneta.

Este resultado sublinha a importância de considerar a contaminação estelar ao planear observações futuras de todos os sistemas exoplanetários. Isto é especialmente verdadeiro para sistemas como o TRAPPIST-1, uma vez que o sistema está centrado em torno de uma estrela anã vermelha que pode ser particularmente ativa com manchas estelares e eventos de erupção frequentes.

“Além da contaminação por manchas estelares e fáculas, vimos uma erupção estelar, um evento imprevisível durante o qual a estrela parece mais brilhante durante vários minutos a horas,” menciona Olivia Lim. “Esta explosão afetou a nossa medição da quantidade de luz bloqueada pelo planeta. Tais assinaturas de atividade estelar são difíceis de modelar, mas precisamos considerá-las para garantir que interpretamos os dados corretamente.”

Nenhuma atmosfera significativa no TRAPPIST-1 b

Embora todos os sete planetas TRAPPIST-1 tenham sido candidatos tentadores na busca de uma Terra 2.0, um exoplaneta como a nossa Terra, a proximidade de TRAPPIST-1 b à sua estrela significa que se encontra em condições mais adversas do que os seus irmãos. Recebe quatro vezes mais radiação do que a Terra do Sol e tem uma temperatura superficial entre 120 e 220 graus Celsius.

No entanto, se TRAPPIST-1 b tivesse uma atmosfera, seria o mais fácil de detectar e descrever de todos os alvos do sistema. Como TRAPPIST-1 b é o planeta mais próximo da sua estrela e, portanto, o planeta mais quente do sistema, o seu trânsito cria um sinal mais forte. Todos esses fatores tornam o TRAPPIST-1 um alvo de observação crucial, mas desafiador.

Para ter em conta o impacto da contaminação estelar, a equipa conduziu duas recuperações atmosféricas independentes – técnicas para determinar o tipo de atmosfera presente em TRAPPIST-1 b com base em observações. Na primeira abordagem, a contaminação estelar foi removida dos dados antes de serem analisados. Na segunda abordagem, a contaminação estelar e a atmosfera planetária foram modeladas e ajustadas simultaneamente.

Em ambos os casos, os resultados indicaram que os espectros de TRAPPIST-1 b poderiam ser bem correspondidos apenas pela contaminação estelar modelada . Isto não sugeriu nenhuma evidência de uma atmosfera significativa no planeta. Tal resultado continua a ser muito valioso, pois indica aos astrónomos quais os tipos de atmosferas que são incompatíveis com os dados observados.

Com base nas observações coletadas do JWST, Lim e sua equipe exploraram uma série de modelos atmosféricos para TRAPPIST-1 b, examinando várias composições e cenários possíveis. Eles descobriram que atmosferas livres de nuvens e ricas em hidrogênio foram descartadas com grande confiança. Isto significa que parece não haver uma atmosfera clara e extensa em torno de TRAPPIST-1 b. No entanto, os dados não puderam excluir com segurança atmosferas mais finas, como aquelas compostas de água pura, dióxido de carbono ou metano, nem uma atmosfera semelhante à de Titã, uma lua de Saturno e a única lua do Sistema Solar com atmosfera própria. .

 Esses resultados são geralmente consistentes com observações JWST anteriores (fotométricas e não espectroscópicas) de TRAPPIST-1 b (de Greene, et al. e Ih, et al.) com o instrumento MIRI. Além disso, o estudo provou que o instrumento NIRISS do Canadá é uma ferramenta sensível e de alto desempenho, capaz de sondar atmosferas em exoplanetas do tamanho da Terra até níveis impressionantes.

Os novos conhecimentos obtidos com este estudo aprofundaram a compreensão dos cientistas sobre o sistema TRAPPIST-1 e enfatizaram a necessidade de mais observações e investigações abrangentes que considerem tanto a contaminação estelar como as atmosferas planetárias. À medida que os astrónomos continuam a explorar a vasta extensão do espaço, estas descobertas irão informar futuros programas de observação no JWST e outras missões e contribuir para a nossa compreensão mais ampla das atmosferas exoplanetárias e da sua potencial habitabilidade.

Fonte: Exoplanetes.umontreal.ca