JWST vê quatro exoplanetas em um único sistema

Quando o JWST ativou os seus penetrantes olhos infravermelhos em julho de 2022, enfrentou uma enorme lista de alvos compilada por uma ávida comunidade astronómica internacional. 

Esta representação artística mostra a estrela HR 8799 e um dos seus quatro planetas, HR 8799c. Ele ilustra o sistema em um estágio inicial de evolução. Também mostra o disco de poeira da estrela e os planetas rochosos internos. Crédito: Instituto Dunlap de Astronomia e Astrofísica 

Galáxias primitivas e distantes, planetas nascentes formando-se em discos de poeira e o fim da idade das trevas do universo e sua primeira luz estavam na lista. Mas os exoplanetas também estavam na lista, e havia milhares deles acenando para serem estudados. Mas um sistema solar distante se destacou: HR 8799, um sistema a cerca de 133 anos-luz de distância. Por que este sistema em detrimento de outros? Há 15 anos, os astrônomos descobriram três exoplanetas orbitando a estrela. Não muito depois de anunciarem um quarto, todos detectados com imagens diretas. São todos planetas massivos em órbitas amplas, o que é raro. O sistema HR 8799 também é jovem, outro ponto importante.

O facto de terem sido descobertos há 15 anos também é importante; isso significa que temos observações desses planetas que abrangem um longo período de tempo. Este tipo de dados é fundamental para a compreensão de outros sistemas solares porque a duração dos dados mostra um quadro mais completo.

Crédito: NASA

No entanto, também levanta mais questões e aguça o nosso apetite por mais respostas. É por isso que o JWST observou o sistema recentemente. Seu instrumento MIRI e seu coronógrafo podem realizar o tipo de imagem de alto contraste necessária para compreender melhor o sistema.

Um novo artigo apresenta os resultados dessas observações. Seu título é "Detecção de imagem do cinturão de poeira interno e dos quatro exoplanetas no sistema HR 8799 com o coronógrafo MIRI do JWST". Ele aparecerá na revista Astronomy and Astrophysics e atualmente está postado no servidor de pré-impressão arXiv . O autor principal é Anthony Boccaletti do LESIA, Observatoire de Paris, França.

HR 8799 é 1,5 vezes mais massivo que o Sol e quase cinco vezes mais luminoso. Também está rodeado por um disco de detritos e tem apenas cerca de 30 milhões de anos. Os sistemas solares jovens são importantes porque podem revelar os detalhes intrincados por trás da formação planetária, uma das coisas em que o JWST foi construído para se concentrar.

Os quatro planetas são HR 8799 b, c, d e e. Eles são todos planetas massivos , entre 5,7 e 9,1 massas de Júpiter, logo abaixo do ponto onde ocorre a fusão do deutério, tornando-os anãs marrons. Eles variam de 16 a 71 unidades astronômicas de distância da estrela e têm órbitas de cerca de 45 a cerca de 460 anos. Todos os quatro têm raios de cerca de 1,2 raios de Júpiter.

Um retrato do sistema planetário HR8799 obtido pelo Telescópio Hale. Um quarto planeta foi finalmente descoberto. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Observatório Palomar

Planetas gigantes massivos que seguem grandes órbitas superiores a 5 UA são raros. Portanto, cada instância desses tipos de planetas é importante. A imagem de alto contraste do MIRI pode abrir uma nova janela sobre esses tipos de sistemas e permitir que os cientistas os caracterizem de forma mais completa. As observações do sistema no infravermelho médio têm sido difíceis até agora. Não só isso, mas a resolução angular do JWST torna as observações ainda mais poderosas.

O que o JWST descobriu?

“No geral, as imagens MIRI do sistema HR 8799 produzem uma visão muito diferente do infravermelho próximo, com a detecção clara dos quatro planetas, juntamente com uma emissão central localizada, mas estendida”, escrevem os autores. O JWST conseguiu refinar o que já sabemos sobre alguns aspectos deste sistema. O principal objetivo deste trabalho foi caracterizar melhor as atmosferas planetárias.

Embora tenha havido alguma incerteza em torno da natureza dos planetas, e se eles são anãs marrons, as observações do JWST colocaram essa ideia de lado. “As suas cores indicam que estes quatro planetas gigantes diferem das anãs castanhas”, escrevem os autores.

Suas temperaturas variam de 900 K a 1300 K, com HR 8799 b sendo mais fraco e mais frio. As medições do JWST mostram que a temperatura do planeta b é mais baixa do que as observações anteriores mostraram, uma indicação do maior poder do telescópio. O MIRI também identificou inequivocamente dois produtos químicos atmosféricos: H 2 O e CO. Os autores dizem que há uma detecção discutível de metano, e isso é evidência adicional de que são planetas e não anãs marrons . As anãs marrons sempre mostram a assinatura do metano nessas temperaturas.

O instrumento MIRI do JWST foi construído com filtros diferentes. Eles foram parcialmente concebidos para investigar a presença de amônia, que é uma bioassinatura sólida em planetas terrestres. Infelizmente, esses quatro planetas são um pouco quentes demais para que a amônia se destaque. “Como resultado, os dados atuais não podem concluir sobre a detectabilidade da presença de amónia nos planetas HR 8799”, afirma o artigo. Se tivesse detectado amônia, seria manchete.

Esta é uma das imagens MIRI do JWST de HR 8799 e seus quatro planetas. Crédito: Boccaletti et al. 2023

O sistema HR 8799 também se destaca pelo seu disco de detritos. É incomum porque tem dois cintos. Os investigadores questionam-se se a borda interior da cintura exterior foi causada por um quinto planeta com uma massa entre Júpiter e Saturno. Outros pensaram que poderia ser um monte de poeira.

Mas o JWST mostra que é um objeto de segundo plano e parece ter encerrado o debate. “Com um novo ponto de dados, com 4,44 anos de diferença em relação à detecção anterior, podemos agora concluir com segurança que este é um objeto de fundo”, escrevem os autores.

Esta foi a primeira vez que o JWST observou um sistema exoplanetário jovem com o seu instrumento MIRI, incluindo os seus filtros e o seu coronógrafo. “O instrumento MIRI a bordo do JWST oferece agora capacidade de imagem de alto contraste em comprimentos de onda infravermelhos médios, abrindo assim um campo de investigação completamente novo para caracterizar sistemas exoplanetários jovens”, explicam os autores.

Os poderosos filtros do instrumento MIRI do JWST encerraram o debate sobre um potencial quinto planeta em HR 8799. Esta imagem MIRI ajudou a determinar que o objeto é na verdade um objeto de fundo. Crédito: Boccaletti et al. 2023

Como tal, o principal objetivo do trabalho foi testar as observações e diferentes algoritmos para determinar a melhor forma de utilizá-los em trabalhos futuros e como interpretar os resultados. Por exemplo, medir com sucesso o fluxo de um planeta significa levar em conta como o coronógrafo atenua as imagens, dependendo da posição do planeta.

Estas observações contribuem para uma utilização mais eficaz do instrumento. Ironicamente, o coronógrafo do MIRI pode ser tão sensível que a compreensão das suas imagens de sistemas estelares jovens pode ser um desafio. A utilização do instrumento está apenas na sua infância e a extrema sensibilidade dos coronógrafos “pode tornar a deteção e a interpretação de observações de sistemas jovens muito desafiantes, sem mencionar a confusão relacionada com as galáxias de fundo”, escrevem os autores.

Os autores ressaltam que ainda há espaço para melhorias e que esses resultados só levarão a melhores resultados futuros.

Fontes: phys.org