Webb da NASA expõe atmosfera complexa de Super-Júpiter sem estrelas

Uma equipe internacional de pesquisadores descobriu que variações observadas anteriormente no brilho de um objeto de massa planetária flutuante conhecido como SIMP 0136 devem ser o resultado de uma combinação complexa de fatores atmosféricos e não podem ser explicadas apenas pelas nuvens.

Esta conceção artística mostra o objeto isolado de massa planetária SIMP 0136 como poderá ser, com base em observações recentes do Telescópio Espacial James Webb da NASA e em observações anteriores do Hubble, do Spitzer e de numerosos telescópios terrestres. Os investigadores utilizaram o NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) e o MIRI (Mid-Infrared Instrument) do Webb para medir alterações subtis no brilho da luz infravermelha à medida que o objeto completava duas rotações de 2,4 horas. Analisando a mudança no brilho de diferentes comprimentos de onda ao longo do tempo, foi possível detetar a variabilidade na cobertura de nuvens a diferentes profundidades, variações de temperatura na atmosfera superior e mudanças na química do carbono à medida que diferentes lados do objeto giravam para dentro e fora de vista. Esta ilustração é baseada nas observações espetroscópicas do Webb. O Webb não captou uma imagem direta do objeto. Crédito: NASA, ESA, CSA e Joseph Olmsted (STScI) 

Usando o Telescópio Espacial James Webb da NASA para monitorar um amplo espectro de luz infravermelha emitida ao longo de dois períodos completos de rotação pelo SIMP 0136, a equipe conseguiu detectar variações nas camadas de nuvens, temperatura e química do carbono que antes estavam ocultas.

Os resultados fornecem insights cruciais sobre a complexidade tridimensional das atmosferas de gigantes gasosos dentro e além do nosso sistema solar. A caracterização detalhada de objetos como esses é uma preparação essencial para imagens diretas de exoplanetas, planetas fora do nosso sistema solar, com o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, que está programado para começar a operar em 2027.

Rotação rápida, flutuação livre

SIMP 0136 é um objeto de rotação rápida e flutuação livre com aproximadamente 13 vezes a massa de Júpiter, localizado na Via Láctea a apenas 20 anos-luz da Terra. Embora não seja classificado como um exoplaneta gigante gasoso — ele não orbita uma estrela e pode ser uma anã marrom — SIMP 0136 é um alvo ideal para exo-meteorologia: é o objeto mais brilhante de seu tipo no céu do norte. Por ser isolado, pode ser observado sem medo de contaminação de luz ou variabilidade causada por uma estrela hospedeira. E seu curto período de rotação de apenas 2,4 horas torna possível fazer um levantamento muito eficiente.

Antes das observações do Webb, o SIMP 0136 havia sido estudado extensivamente usando observatórios terrestres e os telescópios espaciais Hubble e Spitzer da NASA.

“Nós já sabíamos que ele varia em brilho, e estávamos confiantes de que há camadas de nuvens irregulares que giram para dentro e para fora da vista e evoluem ao longo do tempo”, explicou Allison McCarthy, estudante de doutorado na Universidade de Boston e autora principal de um estudo publicado hoje no The Astrophysical Journal Letters . “Nós também pensamos que poderia haver variações de temperatura, reações químicas e possivelmente alguns efeitos da atividade auroral afetando o brilho, mas não tínhamos certeza.”

Para descobrir isso, a equipe precisava da capacidade do Webb de medir mudanças muito precisas no brilho em uma ampla faixa de comprimentos de onda.

Mapeando milhares de arco-íris infravermelhos

Usando NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), Webb capturou milhares de espectros individuais de 0,6 a 5,3 mícrons — um a cada 1,8 segundos ao longo de mais de três horas, enquanto o objeto completava uma rotação completa. Isso foi imediatamente seguido por uma observação com MIRI (Mid-Infrared Instrument), que coletou centenas de medições espectroscópicas de luz de 5 a 14 mícrons — uma a cada 19,2 segundos, ao longo de outra rotação.

O resultado foram centenas de curvas de luz detalhadas, cada uma mostrando a mudança no brilho de um comprimento de onda (cor) muito preciso conforme diferentes lados do objeto giravam e apareciam no campo de visão.

“Ver o espectro completo dessa mudança de objeto ao longo de minutos foi incrível”, disse a pesquisadora principal Johanna Vos, do Trinity College Dublin. “Até agora, tínhamos apenas uma pequena fatia do espectro infravermelho próximo do Hubble e algumas medições de brilho do Spitzer.”

A equipe notou quase imediatamente que havia várias formas distintas de curvas de luz . A qualquer momento, alguns comprimentos de onda estavam ficando mais brilhantes, enquanto outros estavam ficando mais escuros ou não mudavam muito. Vários fatores diferentes devem estar afetando as variações de brilho.

“Imagine observar a Terra de longe. Se você olhasse para cada cor separadamente, veria padrões diferentes que lhe diriam algo sobre sua superfície e atmosfera, mesmo que não conseguisse distinguir as características individuais”, explicou o coautor Philip Muirhead, também da Universidade de Boston. “O azul aumentaria conforme os oceanos girassem para aparecer. Mudanças em marrom e verde lhe diriam algo sobre o solo e a vegetação.”

Nuvens irregulares, pontos quentes e química do carbono

Para descobrir o que poderia estar causando a variabilidade no SIMP 0136, a equipe usou modelos atmosféricos para mostrar onde na atmosfera cada comprimento de onda de luz estava se originando. 

“Diferentes comprimentos de onda fornecem informações sobre diferentes profundidades na atmosfera”, explicou McCarthy. “Começamos a perceber que os comprimentos de onda que tinham as formas de curva de luz mais semelhantes também sondavam as mesmas profundidades, o que reforçou essa ideia de que eles devem ser causados ​​pelo mesmo mecanismo.”

Um grupo de comprimentos de onda, por exemplo, se origina nas profundezas da atmosfera, onde pode haver nuvens irregulares feitas de partículas de ferro. Um segundo grupo vem de nuvens mais altas, que se acredita serem feitas de pequenos grãos de minerais de silicato. As variações em ambas as curvas de luz estão relacionadas à irregularidade das camadas de nuvens. 

Um terceiro grupo de comprimentos de onda se origina em altitudes muito altas, muito acima das nuvens, e parece rastrear a temperatura. “Pontos quentes” brilhantes podem estar relacionados a auroras que foram detectadas anteriormente em comprimentos de onda de rádio, ou à ascensão de gás quente de uma parte mais profunda da atmosfera.

Algumas das curvas de luz não podem ser explicadas nem pelas nuvens nem pela temperatura, mas, em vez disso, mostram variações relacionadas à química do carbono atmosférico. Pode haver bolsões de monóxido de carbono e dióxido de carbono girando para dentro e para fora da vista, ou reações químicas que fazem a atmosfera mudar ao longo do tempo.

“Ainda não descobrimos realmente a parte química do quebra-cabeça”, disse Vos. “Mas esses resultados são realmente empolgantes porque estão nos mostrando que as abundâncias de moléculas como metano e dióxido de carbono podem mudar de um lugar para outro e ao longo do tempo. Se estivermos olhando para um exoplaneta e pudermos obter apenas uma medição, precisamos considerar que ela pode não ser representativa de todo o planeta.”

Webbtelescope.org