Webb revela a origem do exoplaneta ultraquente WASP-121b

A detecção de metano e monóxido de silício na atmosfera sugere que ele se originou em uma região análoga ao domínio de gigantes gasosos e de gelo do Sistema Solar. 

Esta impressão artística representa a fase em que WASP-121 b acumulou a maior parte do seu gás, tal como inferido pelos últimos resultados. A ilustração sugere que o planeta em formação tinha limpado a sua órbita distante de seixos sólidos, que armazenavam água sob a forma de gelo. Como resultado, a divisão impediu que mais seixos chegassem ao planeta. WASP-121 b deve ter posteriormente migrado das frias regiões exteriores para o disco interior, onde agora orbita perto da sua estrela. Crédito: T. Müller (Instituto Max Planck de Astronomia)

Observações com o Telescópio Espacial James Webb (JWST) forneceram novas pistas sobre como o exoplaneta WASP-121b se formou e onde ele pode ter se originado no disco de gás e poeira ao redor de sua estrela. Essas descobertas decorrem da detecção de múltiplas moléculas-chave: vapor d'água, monóxido de carbono, monóxido de silício e metano. Com essas detecções, uma equipe liderada pelos astrônomos Thomas Evans-Soma e Cyril Gapp conseguiu compilar um inventário de carbono, oxigênio e silício na atmosfera de WASP-121b. A detecção de metano, em particular, também sugere fortes ventos verticais no lado noturno mais frio, um processo frequentemente ignorado nos modelos atuais.

WASP-121b é um planeta gigante ultraquente que orbita sua estrela hospedeira a uma distância de apenas cerca de duas vezes o diâmetro da estrela, completando uma órbita em aproximadamente 30,5 horas. O planeta apresenta dois hemisférios distintos: um que está sempre voltado para a estrela hospedeira, com temperaturas localmente superiores a 3.000 graus Celsius, e um lado noturno eterno, onde as temperaturas caem para 1.500 graus.

“As temperaturas diurnas são altas o suficiente para que materiais refratários – tipicamente compostos sólidos resistentes ao calor intenso – existam como componentes gasosos da atmosfera do planeta”, explicou Thomas Evans-Soma. Ele é um astrônomo afiliado ao Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, Alemanha, e à Universidade de Newcastle, Austrália. Ele liderou o estudo publicado hoje na Nature Astronomy .

Revelando o local de nascimento do WASP-121b

A equipe investigou a abundância de compostos que evaporam em temperaturas muito diferentes, fornecendo pistas sobre a formação e evolução do planeta. "Materiais gasosos são mais fáceis de identificar do que líquidos e sólidos", observou Cyril Gapp, aluno do MPIA e autor principal de um segundo estudo publicado hoje no The Astronomical Journal . "Como muitos compostos químicos estão presentes na forma gasosa, os astrônomos usam o WASP-121b como um laboratório natural para investigar as propriedades das atmosferas planetárias."

A equipe concluiu que WASP-121b provavelmente acumulou a maior parte de seu gás em uma região fria o suficiente para que a água permanecesse congelada, mas suficientemente quente para que o metano (CH4 ) evaporasse e existisse em sua forma gasosa. Como os planetas se formam dentro de um disco de gás e poeira ao redor de uma estrela jovem, tais condições ocorrem em distâncias onde a radiação estelar cria as temperaturas apropriadas.

Em nosso Sistema Solar, essa região situa-se em algum lugar entre as órbitas de Júpiter e Urano. Isso é notável, visto que WASP-121b agora orbita perigosamente perto da superfície de sua estrela hospedeira. Isso sugere que, após sua formação, ele empreendeu uma longa jornada das regiões externas geladas até o centro do sistema planetário.

Reconstruindo a juventude agitada do WASP-121b

O silício foi detectado como gás monóxido de silício (SiO), mas originalmente entrou no planeta através de material rochoso, como quartzo, armazenado em planetesimais – essencialmente asteroides – após adquirir a maior parte de seu envoltório gasoso. A formação de planetesimais leva tempo, indicando que esse processo ocorreu durante os estágios finais do desenvolvimento planetário.

A formação planetária começa com partículas de poeira gelada que se unem e gradualmente crescem até se tornarem seixos de centímetros a metros. Elas atraem o gás circundante e pequenas partículas, acelerando seu crescimento. Essas são as sementes de futuros planetas como WASP-121b. O arrasto do gás circundante faz com que os seixos em movimento espiralem em direção à estrela. À medida que migram, o gelo incrustado começa a evaporar nas regiões internas mais quentes do disco.

Enquanto os planetas bebês orbitam suas estrelas hospedeiras, eles podem crescer o suficiente para abrir lacunas substanciais dentro do disco protoplanetário. Isso interrompe o deslocamento de seixos para dentro e o suprimento de gelo incrustado, mas deixa gás suficiente disponível para construir uma atmosfera extensa.

No caso de WASP-121b, isso parece ter ocorrido em um local onde seixos de metano evaporaram, enriquecendo o gás fornecido ao planeta com carbono. Em contraste, seixos de água permaneceram congelados, retendo oxigênio. Esse cenário explica melhor por que Evans-Soma e Gapp observaram uma relação carbono-oxigênio maior na atmosfera do planeta do que em sua estrela hospedeira. WASP-121b continuou atraindo gás rico em carbono após o fluxo de seixos ricos em oxigênio ter cessado, definindo a composição final de seu envoltório atmosférico.

Esta conceção artística ilustra a forma como WASP-121 b orbita a sua estrela hospedeira. Ao mostrar vinte fases da trajetória do planeta, a imagem demonstra como o planeta apresenta frações variáveis do seu quente e iluminado lado diurno. Observando toda a órbita, a equipa extraiu informação das emissões atmosféricas em constante mudança. A fase em que o planeta passa em frente da estrela também permitiu à equipa examinar a forma como o fino limbo atmosférico do planeta alterava a luz estelar que o atravessava. Desta forma, detetaram o gás monóxido de silício. Crédito: Patricia Klein

A detecção de metano requer fortes correntes verticais

À medida que a temperatura da atmosfera muda, espera-se que as quantidades de diferentes moléculas, como metano e monóxido de carbono, variem. Nas temperaturas ultra-altas do lado diurno de WASP-121b, o metano é altamente instável e não estará presente em quantidades detectáveis. Astrônomos determinaram, para planetas como WASP-121b, que o gás do hemisfério diurno deve se misturar ao hemisfério noturno, relativamente frio, mais rápido do que a composição do gás consegue se ajustar às temperaturas mais baixas. Nesse cenário, seria de se esperar que a abundância de metano fosse insignificante no lado noturno, assim como no lado diurno. Quando, em vez disso, os astrônomos detectaram metano abundante no lado noturno de WASP-121b, foi uma surpresa total.

Para explicar esse resultado, a equipe propõe que o gás metano deve ser rapidamente reabastecido no lado noturno para manter sua alta abundância. Um mecanismo plausível para isso envolve fortes correntes verticais elevando gás metano das camadas atmosféricas mais baixas, que são ricas em metano graças às temperaturas relativamente baixas do lado noturno, combinadas com a alta relação carbono-oxigênio da atmosfera. "Isso desafia os modelos dinâmicos de exoplanetas, que provavelmente precisarão ser adaptados para reproduzir a forte mistura vertical que descobrimos no lado noturno de WASP-121b", disse Evans-Soma.

O papel do JWST na descoberta

A equipe utilizou o Espectrógrafo de Infravermelho Próximo (NIRSpec) do JWST para observar WASP-121b ao longo de sua órbita completa em torno de sua estrela hospedeira. À medida que o planeta gira em torno de seu eixo, a radiação térmica recebida de sua superfície varia, expondo diferentes partes de sua atmosfera irradiada ao telescópio. Isso permitiu à equipe caracterizar as condições e a composição química dos lados diurno e noturno do planeta.

Os astrônomos também capturaram observações enquanto o planeta transitava em frente à sua estrela. Durante essa fase, parte da luz estelar filtra-se através da borda atmosférica do planeta, deixando impressões digitais espectrais que revelam sua composição química. Esse tipo de medição é especialmente sensível à região de transição, onde gases do lado diurno e noturno se misturam. "O espectro de transmissão emergente confirmou as detecções de monóxido de silício, monóxido de carbono e água feitas com os dados de emissão", observou Gapp. "No entanto, não conseguimos encontrar metano na zona de transição entre o lado diurno e o noturno."

Instituto Max Planck de Astronomia