Atmosfera do TOI-199b: James Webb detecta metano num gigante gasoso temperado

A maior parte das atmosferas de exoplanetas analisadas pelo Telescópio Espacial James Webb, da NASA, pertence a mundos tão quentes que até ferro evapora.

Os chamados Júpiteres quentes - planetas gigantes que completam uma volta em torno de suas estrelas em questão de dias - foram ficando bem cartografados com o tempo, e hoje a química geral dessas atmosferas é relativamente bem compreendida.

Já os gigantes gasosos mais distantes, que seguem órbitas mais frias e tranquilas com períodos de cerca de cem dias, continuam sendo quase totalmente desconhecidos.

Para essa categoria ainda pouco explorada, modelos teóricos vinham oferecendo previsões. Uma delas dizia que, se fosse possível “olhar por dentro” dessas atmosferas, o metano estaria lá.

Se os modelos estavam certos era outra história - até agora.

Um planeta entre extremos

O mundo em questão é o TOI-199b. Ele tem aproximadamente o tamanho de Saturno, mas apenas uma fração da massa do planeta do nosso Sistema Solar, e orbita uma estrela parecida com o Sol a mais de 330 anos-luz de distância.

Para completar uma volta inteira, ele leva algo em torno de cem dias.

As propriedades básicas do TOI-199b já haviam sido medidas e registradas em um artigo anterior.

O estudo atual foi liderado por Renyu Hu, professor associado da Penn State (PSU).

Com cerca de 175 graus Fahrenheit, o planeta é muito mais frio do que os mundos de “mil graus” que dominam grande parte dos estudos de exoplanetas.

Apenas um pequeno número desses mundos temperados é conhecido, e este é o primeiro a ter a atmosfera destrinchada em detalhes.

Como ler a composição do ar pela luz

Descobrir do que é feito o “ar” de um exoplaneta exige paciência.

Astrónomos aguardam o momento em que o planeta passa na frente da sua estrela e, então, observam a luz estelar atravessando as camadas externas da atmosfera.

Determinados comprimentos de onda são absorvidos pelos gases presentes no caminho, deixando uma espécie de assinatura - uma impressão digital - embutida na luz que chega ao telescópio.

Essa abordagem tem um nome técnico - espectroscopia de transmissão -, mas o conceito é direto.

Os instrumentos do Webb decompõem a luz recebida nas suas cores componentes, analisando um comprimento de onda por vez. Pequenas quedas no espectro indicam quais moléculas estão presentes.

Uma observação paciente

O trânsito em si durou cerca de sete horas - bem mais do que as passagens aceleradas dos Júpiteres quentes, que podem terminar em menos de uma hora.

Além disso, o Webb permaneceu “apontado” para a estrela por quase 20 horas seguidas, construindo uma linha de base limpa de como era a luz estelar quando o planeta não estava no caminho.

Ao comparar esses dois registos, ficou claro exatamente quais cores o planeta absorveu discretamente.

Aaron Bello-Arufe, pesquisador de pós-doutoramento no Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA, foi o primeiro autor do estudo.

O que o espectro revelou

Quando os dois registos foram alinhados, um padrão de absorção se destacou de imediato: metano.

A atmosfera absorveu exatamente os comprimentos de onda que se sabe que esse gás absorve - uma impressão digital que nenhuma outra molécula comum reproduz nessas cores.

“Quando comparamos os espectros durante o trânsito com a linha de base, vimos que a atmosfera bloqueou os comprimentos de onda da luz estelar absorvidos pelo metano”, disse Bello-Arufe.

Há muito tempo os modelos apontavam nessa direção para gigantes gasosos temperados.

Até este trabalho, ninguém tinha observado diretamente essa correspondência num planeta desse tipo. A confirmação dá aos modeladores um teste no mundo real numa faixa de temperatura que ainda não tinha sido amostrada.

Pistas químicas para além do metano

Os dados também exibiram um sinal menor e mais incerto noutra região do espectro.

De acordo com os modelos da equipa, isso pode indicar amónia ou, possivelmente, outro composto com nitrogénio.

Essas moléculas interessam a químicos planetários porque as concentrações relativas podem revelar quanto intercâmbio existe entre o interior profundo e a atmosfera superior, mais fria.

Para fixar essa ligação, serão necessários dados adicionais. Surgiram também indícios fracos de dióxido de carbono.

Nenhum desses sinais secundários tem o mesmo peso da detecção de metano, e separar o que é o quê vai exigir mais tempo de observação do Webb.

Um eco do que vemos em casa

O que apareceu ao redor do TOI-199b lembra, de forma distante, as atmosferas de Saturno e Júpiter - onde metano e amónia são componentes familiares.

O metano também já foi identificado pelo Webb num mundo menor e mais frio chamado K2-18b, num estudo anterior que recebeu grande atenção porque esse planeta está na zona habitável da sua estrela.

Esse padrão sugere que o metano surge de forma confiável em atmosferas de mundos temperados com ar leve e rico em hidrogénio.

Era algo que a área suspeitava havia anos, mas que não conseguia confirmar sem instrumentos com essa sensibilidade.

Ainda são necessárias mais observações

A observação não foi perfeita. Um desalinhamento de apontamento reduziu a precisão do espectro abaixo do que a equipa tinha planeado inicialmente.

Mesmo assim, o sinal de metano apareceu com força.

Os pesquisadores também verificaram, por meio de modelos, se a atmosfera poderia conter névoas - partículas em suspensão que podem “borrar” algumas feições de absorção - usando modelos baseados na química de Titã, lua de Saturno.

A preferência por modelos com névoa em relação a uma atmosfera limpa foi fraca. Determinar se o TOI-199b realmente tem nuvens ou névoas vai exigir uma análise mais prolongada.

Próximos rumos de pesquisa

Durante décadas, a química de planetas gigantes que não são nem abrasadoramente quentes nem tão frios quanto os do Sistema Solar foi um espaço em branco no mapa.

A equipa de Hu preencheu um único ponto de dados nesse intervalo.

O metano está presente na atmosfera de um gigante gasoso temperado em quantidades aproximadamente iguais às previstas pelos modelos.

Isso indica que a química subjacente usada pelos pesquisadores se mantém quando é testada contra um planeta real nessa faixa de temperatura.

Com mais tempo de Webb, a equipa poderá determinar as quantidades relativas de metano, amónia e dióxido de carbono no TOI-199b e compará-las com as de outros gigantes temperados.

Deve surgir, então, um retrato mais nítido de como a própria atmosfera da Terra se encaixa na história mais ampla da química planetária.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech