Exoplanetas semelhantes a Neptuno podem ser nublados ou ter céus limpos - novas descobertas sugerem a razão

O estudo de "exoplanetas", o nome que soa a ficção científica dado a todos os planetas no cosmos para lá do nosso próprio Sistema Solar, é um campo relativamente novo. 

Impressão de artista do exoplaneta GJ 9827d, o mais pequeno exoplaneta onde, na sua atmosfera, foi detetado vapor de água. Crédito: NASA/ESA/Leah Hustak (STScI)/Ralf Crawford (STScI)

Os investigadores exoplanetários, como os do ExoLab da Universidade do Kansas, utilizam sobretudo dados de telescópios espaciais, como o Telescópio Espacial Hubble e o Telescópio Espacial James Webb. Sempre que os cabeçalhos das notícias falam de descobertas de planetas "semelhantes à Terra" ou de planetas com potencial para suportar vida como a conhecemos, estão a referir-se a exoplanetas dentro da nossa própria Via Láctea.

Jonathan Brande, um doutorando no ExoLab da Universidade do Kansas publicou, na revista científica The Astrophysical Journal Letters, resultados que mostram novos pormenores atmosféricos num conjunto de 15 exoplanetas semelhantes a Neptuno. Embora nenhum deles possa sustentar vida, uma melhor compreensão do seu comportamento pode ajudar-nos a perceber porque é que não temos um pequeno Neptuno, enquanto a maioria dos sistemas solares parece ter um planeta desta classe.

"Nos últimos anos, o meu objetivo tem sido estudar as atmosferas dos exoplanetas através de uma técnica conhecida como espetroscopia de transmissão", disse Brande. "Quando um planeta transita, ou seja, se move entre a nossa linha de visão e a estrela que orbita, a luz estelar passa através da atmosfera do planeta, sendo absorvida pelos vários gases presentes.

Ao captarmos um espetro da estrela - passando a luz por um instrumento chamado espetrógrafo, semelhante a passá-la por um prisma - observamos um arco-íris, medindo o brilho das diferentes cores constituintes. Áreas variadas de brilho ou diminuição de brilho, no espetro, revelam os gases que absorvem a luz na atmosfera do planeta".

Com esta metodologia, Brande publicou há vários anos um artigo científico sobre o "Neptuno quente" TOI-674 b, onde apresentou observações que indicavam a presença de vapor de água na sua atmosfera. Estas observações faziam parte de um programa mais vasto liderado pelo orientador de Brande, Ian Crossfield, professor associado de física e astronomia na Universidade do Kansas, com o objetivo de observar atmosferas de exoplanetas do tamanho de Neptuno.

Ilustração de TOI-674 b, com uma atmosfera que tem, segundo um estudo recente, vapor de água. Crédito: NASA/JPL-Caltech

"Queremos compreender o comportamento destes planetas, dado que aqueles ligeiramente maiores que a Terra e mais pequenos que Neptuno são os mais comuns na Galáxia", disse Brande.

Este mais recente artigo científico resume as observações desse programa, incorporando dados de observações adicionais para explicar porque é que alguns planetas parecem nublados enquanto outros têm céus limpos.

"O objetivo é explorar as explicações físicas por detrás dos diferentes aspetos destes planetas", disse Brande.

Brande e os seus coautores tomaram especial atenção às regiões onde os exoplanetas tendem a formar nuvens ou neblinas no alto da sua atmosfera. Quando esses aerossóis atmosféricos estão presentes, o investigador disse que as neblinas podem bloquear a filtragem da luz através da atmosfera.

"Se um planeta tiver uma nuvem mesmo acima da superfície, com centenas de quilómetros de ar limpo por cima, a luz estelar pode facilmente passar através do céu limpo e ser absorvida apenas pelos gases específicos nessa parte da atmosfera", disse Brande. "No entanto, se a nuvem estiver posicionada muito acima, as nuvens são geralmente opacas em todo o espetro eletromagnético.

Embora as neblinas tenham características espectrais, para o nosso trabalho, em que nos concentramos numa gama relativamente estreita com o Hubble, também produzem espetros quase planos."

De acordo com Brande, quando estes aerossóis estão presentes no alto da atmosfera, não há um caminho claro para a luz passar.

"Com o Hubble, o único gás a que somos mais sensíveis é o vapor de água", disse. "Se observarmos vapor de água na atmosfera de um planeta, isso é uma boa indicação de que não existem nuvens suficientemente altas para bloquear a sua absorção. Pelo contrário, se o vapor de água não for observado e apenas se observar um espetro plano, apesar de se saber que o planeta deve ter uma atmosfera alargada, isso sugere a presença provável de nuvens ou neblinas a maiores altitudes."

Brande liderou o trabalho de uma equipa internacional de astrónomos, incluindo Crossfield e colaboradores do Instituto Max Planck em Heidelberg, Alemanha, uma coorte liderada por Laura Kreidberg, e investigadores da Universidade do Texas, Austin, liderados por Caroline Morley.

Brande e os seus coautores abordaram a sua análise de forma diferente dos esforços anteriores, concentrando-se na determinação dos parâmetros físicos das atmosferas dos pequenos Neptunos. Em contraste, as análises anteriores envolveram frequentemente a adaptação de um único modelo espectral às observações.

"Normalmente, os investigadores pegam num modelo atmosférico com conteúdo de água pré-computado, escalam-no e deslocam-no para corresponder aos planetas observados na sua amostra", disse Brande. "Esta abordagem indica se o espetro é limpo ou nublado, mas não fornece qualquer informação sobre a quantidade de vapor de água ou sobre a localização das nuvens na atmosfera".

Em vez disso, Brande utilizou uma técnica conhecida como "recuperação atmosférica".

Isto envolveu modelar a atmosfera através de vários parâmetros planetários, tais como a quantidade de vapor de água e a localização das nuvens, iterando ao longo de centenas e milhares de simulações para encontrar a configuração mais adequada", disse. "As nossas recuperações deram-nos o espetro do modelo mais adequado para cada planeta, a partir do qual calculámos o grau de nebulosidade do planeta.

Depois, comparámos os graus medidos com um conjunto separado de modelos de Caroline Morley, o que nos permitiu ver que os nossos resultados estão de acordo com as expetativas para planetas semelhantes. Ao examinar o comportamento das nuvens e da neblina, os nossos modelos indicaram que as nuvens se ajustam melhor do que as neblinas.

O parâmetro de eficiência de sedimentação, que reflete a compacidade das nuvens, sugeriu que os planetas observados tinham eficiências de sedimentação relativamente baixas, resultando em nuvens fofas. Estas nuvens, constituídas por partículas como gotículas de água, permaneciam suspensas na atmosfera devido à sua baixa tendência de sedimentação."

As descobertas de Brande fornecem conhecimentos sobre o comportamento destas atmosferas planetárias e causaram um "interesse substancial" quando as apresentou num recente encontro da Sociedade Astronómica Americana.

Outras descobertas

Além disso, Brande faz parte de um programa internacional de observação, liderado por Crossfield, que no final do mês de janeiro anunciou a descoberta de vapor de água em GJ 9827d - um planeta tão quente como Vénus, a 97 anos-luz da Terra, na direção da constelação de Peixes.

As observações, feitas com o Telescópio Espacial Hubble, mostram que o planeta pode ser apenas um exemplo de planetas ricos em água na Via Láctea. As observações foram anunciadas por uma equipa liderada por Pierre-Alexis Roy do iREx (Instituto Trottier para a Investigação sobre Exoplanetas) da Universidade de Montreal.

"Estávamos à procura de vapor de água nas atmosferas de sub-Neptunos", disse Brande. "O artigo de Pierre-Alexis é o mais recente desse esforço principal porque foram necessárias cerca de 10 ou 11 órbitas ou trânsitos planetários para fazer a deteção do vapor de água.

O espetro de Pierre-Alexis foi incluído no nosso trabalho como um dos pontos de dados, e incluímos todos os planetas da sua proposta e até outros estudados na literatura, fortalecendo os nossos resultados. Estivemos em estreita comunicação com eles durante a criação de ambos os artigos científicos para garantir que estávamos a utilizar os resultados atualizados adequados e para refletir com precisão as suas descobertas."

Fonte: Astronomia OnLine