Webb racha caso de exoplaneta inflado

Por que o exoplaneta gigante gasoso WASP-107 b está tão inchado? Duas equipes independentes de pesquisadores têm uma resposta.

O conceito deste artista mostra como o exoplaneta WASP-107 b poderia se parecer com base em dados recentes coletados pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA, juntamente com observações anteriores do Hubble e de outros telescópios espaciais e terrestres. Crédito: NASA, ESA, CSA, R. Crawford (STScI) 

Dados coletados usando o Telescópio Espacial James Webb da NASA, combinados com observações anteriores do Telescópio Espacial Hubble da NASA, mostram surpreendentemente pouco metano (CH4) na atmosfera do planeta, indicando que o interior do WASP-107 b deve ser significativamente mais quente e o núcleo muito mais massivo do que o estimado anteriormente.

Acredita-se que a temperatura inesperadamente alta seja resultado do aquecimento das marés causado pela órbita ligeiramente não circular do planeta, e pode explicar como o WASP-107 b pode ser tão inflado sem recorrer a teorias extremas de como ele se formou.

Os resultados, que foram possíveis graças à extraordinária sensibilidade do Webb e à capacidade de medir a luz que passa pela atmosfera de exoplanetas, podem explicar o inchaço de dezenas de exoplanetas de baixa densidade, ajudando a resolver um mistério de longa data na ciência de exoplanetas.

O problema com WASP-107 b

Com mais de três quartos do volume de Júpiter, mas menos de um décimo da massa, o exoplaneta "Netuno quente" WASP-107 b é um dos planetas menos densos conhecidos. Embora planetas inchados não sejam incomuns, a maioria é mais quente e massiva e, portanto, mais fácil de explicar.

"Com base em seu raio, massa, idade e temperatura interna presumida, pensamos que o WASP-107 b tinha um núcleo rochoso muito pequeno cercado por uma enorme massa de hidrogênio e hélio", explicou Luis Welbanks, da Universidade Estadual do Arizona (ASU), principal autor de um artigo publicado hoje na Nature. "Mas era difícil entender como um núcleo tão pequeno poderia varrer tanto gás e, em seguida, parar de crescer totalmente em um planeta de massa de Júpiter."

Se o WASP-107 b tiver mais de sua massa no núcleo, a atmosfera deveria ter se contraído à medida que o planeta esfriou ao longo do tempo desde que se formou. Sem uma fonte de calor para reexpandir o gás, o planeta deve ser muito menor. Embora o WASP-107 b tenha uma distância orbital de apenas 5 milhões de milhas (um sétimo da distância entre Mercúrio e o Sol), ele não recebe energia suficiente de sua estrela para ser tão inflado.

"O WASP-107 b é um alvo tão interessante para o Webb porque é significativamente mais frio e mais parecido com Netuno em massa do que muitos dos outros planetas de baixa densidade, os Júpiteres quentes, que temos estudado", disse David Sing, da Universidade Johns Hopkins (JHU), principal autor de um estudo paralelo também publicado hoje na Nature. 

"Como resultado, devemos ser capazes de detectar metano e outras moléculas que podem nos dar informações sobre sua química e dinâmica interna que não podemos obter de um planeta mais quente."

Uma riqueza de moléculas anteriormente indetectáveis

O raio gigante, a atmosfera estendida e a órbita de borda do WASP-107 b o tornam ideal para espectroscopia de transmissão, um método usado para identificar os vários gases em uma atmosfera de exoplaneta com base em como eles afetam a luz das estrelas.

Combinando observações da NIRCam (Near-Infrared Camera) do Webb, do MIRI (Mid-Infrared Instrument) do Webb e da WFC3 (Wide Field Camera 3) do Hubble, a equipe de Welbanks conseguiu construir um amplo espectro de luz de 0,8 a 12,2 mícrons absorvida pela atmosfera do WASP-107 b. Usando o NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) do Webb, a equipe de Sing construiu um espectro independente cobrindo de 2,7 a 5,2 mícrons.

A precisão dos dados torna possível não apenas detectar, mas realmente medir a abundância de uma riqueza de moléculas, incluindo vapor de água (H2O), metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), dióxido de enxofre (SO2) e amônia (NH3).

Gás de roiling, interior quente e núcleo maciço

Ambos os espectros mostram uma surpreendente falta de metano na atmosfera do WASP-107 b: um milésimo da quantidade esperada com base em sua temperatura presumida.

"Esta é uma evidência de que o gás quente das profundezas do planeta deve estar se misturando vigorosamente com as camadas mais frias mais acima", explicou Sing. "O metano é instável em altas temperaturas. O fato de termos detectado tão pouco, embora tenhamos detectado outras moléculas portadoras de carbono, nos diz que o interior do planeta deve ser significativamente mais quente do que pensávamos."

Uma provável fonte de energia interna extra do WASP-107 b é o aquecimento das marés causado por sua órbita ligeiramente elíptica. Com a distância entre a estrela e o planeta mudando continuamente ao longo da órbita de 5,7 dias, a atração gravitacional também está mudando, esticando o planeta e aquecendo-o.

Os pesquisadores já haviam proposto que o aquecimento das marés poderia ser a causa do inchaço do WASP-107 b, mas até que os resultados do Webb chegassem, não havia evidências.

Uma vez que estabeleceram que o planeta tem calor interno suficiente para agitar completamente a atmosfera, as equipes perceberam que os espectros também poderiam fornecer uma nova maneira de estimar o tamanho do núcleo. 

"Se soubermos quanta energia há no planeta, e soubermos qual proporção do planeta é elementos mais pesados, como carbono, nitrogênio, oxigênio e enxofre, versus quanto é hidrogênio e hélio, podemos calcular quanta massa deve estar no núcleo", explicou Daniel Thorngren, da JHU.

Acontece que o núcleo é pelo menos duas vezes mais massivo do que o estimado originalmente, o que faz mais sentido em termos de como os planetas se formam.

Tudo junto, WASP-107 b não é tão misterioso como parecia uma vez.

"Os dados do Webb nos dizem que planetas como o WASP-107 b não precisavam se formar de alguma maneira estranha com um núcleo super pequeno e um enorme envelope gasoso", explicou Mike Line, da ASU. "Em vez disso, podemos pegar algo mais parecido com Netuno, com muita rocha e não tanto gás, apenas aumentar a temperatura e colocá-la para ficar do jeito que está."

Fonte: phys.org