2280: Hubble e Spitzer revelam atmosfera de planeta de tamanho médio

Esta impressão de artista mostra a estrutura interna teórica do exoplaneta GJ 3470 b. É totalmente diferente de qualquer planeta do Sistema Solar. Com 12,6 massas terrestres, o planeta é mais massivo do que a Terra mas menos massivo do que Neptuno. E, ao contrário de Neptuno, que está a 4,5 mil milhões de quilómetros do Sol, GJ 3470 b pode ter sido formado muito perto da sua estrela anã vermelha, como um objecto seco e rochoso. Atraíu, depois, gravitacionalmente, hidrogénio e hélio de um disco protoplanetário para formar uma espessa atmosfera. O disco dissipou-se há milhares de milhões de anos e o planeta parou de crescer. A ilustração de baixo mostra o aspecto do disco. Através das observações com os telescópios espaciais Hubble e Spitzer da NASA, os cientistas conseguiram analisar quimicamente a composição da atmosfera muito limpa e profunda de GJ 3470 b, fornecendo pistas sobre as origens do planeta. Existem, na Via Láctea, muitos planetas com esta massa.
Crédito: NASA, ESA e L. Hustak (STScI)

Dois telescópios espaciais da NASA uniram forças para identificar, pela primeira vez, a “impressão digital” química detalhada de um planeta com tamanho intermédio entre o da Terra e o de Neptuno. Não existe nenhum planeta como este no nosso Sistema Solar, mas são comuns em torno de outras estrelas.

O planeta, Gliese 3470 b (também conhecido como GJ 3470 b), pode ser um cruzamento entre a Terra e Neptuno, com um grande núcleo rochoso enterrado sob uma profunda atmosfera de hidrogénio e hélio. Com 12,6 massas terrestres, o planeta é mais massivo do que a Terra, mas menos massivo que Neptuno (que tem mais de 17 massas terrestres).

Muitos mundos semelhantes já foram descobertos pelo observatório espacial Kepler da NASA, cuja missão terminou em 2018. De facto, 80% dos planetas na nossa Galáxia podem cair nesta gama de massas. No entanto, os astrónomos nunca foram capazes de compreender a natureza química de tal planeta. Até agora.

Ao fazerem um inventário do conteúdo da atmosfera de GJ 3470 b, os astrónomos conseguiram descobrir pistas sobre a natureza e origem do planeta.

“Esta é uma grande descoberta, da perspectiva da formação planetária. O planeta orbita muito perto da estrela e é bem menos massivo do que Júpiter – que tem 318 vezes a massa da Terra – mas conseguiu acumular a atmosfera primordial de hidrogénio/hélio que em grande não está ‘poluída’ por elementos mais pesados,” comentou Björn Benneke da Universidade de Montreal, no Canadá. “Não temos nada assim no Sistema Solar e é isso que o torna tão impressionante.”

Os astrónomos recrutaram as capacidades combinadas de vários comprimentos de onda dos telescópios espaciais Hubble e Spitzer da NASA para fazer um estudo inédito da atmosfera de GJ 3470 b.

Tal foi conseguido medindo a absorção da luz estelar à medida que o planeta passava em frente (ou “transitava”) da sua estrela e a perda da luz reflectida do planeta quando passava por trás (eclipse) da estrela. Os telescópios espaciais observaram 12 trânsitos e 20 eclipses. A ciência de analisar as impressões digitais químicas com base na luz é chamada “espectroscopia”.

“Pela primeira vez, temos uma assinatura espectroscópica de tal mundo,” disse Benneke. Mas tem muitas dúvidas quanto à sua classificação: deverá ser chamado de “super-Terra” ou “sub-Neptuno?” Ou talvez outro nome?

Por sorte, a atmosfera de GJ 3470 b mostrou-se na maior parte limpa, com apenas neblinas finas, permitindo que os cientistas examinassem profundamente a atmosfera.

“Esperávamos uma atmosfera fortemente enriquecida com elementos mais pesados, como oxigénio e carbono, que formam vapor de água e metano abundantes, de modo idêntico ao que vemos em Neptuno,” explicou Benneke. “Em vez disso, encontramos uma atmosfera tão pobre em elementos pesados que a sua composição se assemelha à composição rica em hidrogénio e hélio do Sol.”

Pensa-se que outros exoplanetas, chamados “Júpiteres quentes”, se formem longe das suas estrelas e, com o tempo, migrem para muito mais perto. Mas este planeta parece ter sido formado exactamente onde está hoje, acrescentou Benneke.

A explicação mais plausível, segundo Benneke, é que GJ 3470 b nasceu precariamente perto da sua estrela anã vermelha, que tem mais ou menos metade da massa do nosso Sol. Ele teoriza que, essencialmente, começou como uma rocha seca e rapidamente acretou hidrogénio de um disco primordial de gás quando a sua estrela era ainda muito jovem. Ao disco chamamos “disco protoplanetário”.

“Estamos a ver um objeto que foi capaz de acumular hidrogénio a partir do disco protoplanetário, mas não fugiu para se tornar um Júpiter quente,” salientou Benneke. “Este é um regime intrigante.”

Uma explicação é que o disco se dissipou antes que o planeta pudesse aumentar ainda mais. “O planeta ficou preso sendo um sub-Neptuno,” disse Benneke.

O Telescópio Espacial James Webb da NASA será capaz de investigar ainda mais profundamente a atmosfera de GJ 3470 b, graças à sua sensibilidade sem precedentes no infravermelho. Os novos resultados já suscitaram grande interesse por parte de equipas norte-americanas e canadianas que estão a desenvolver os instrumentos do Webb. As equipas vão observar os trânsitos e os eclipses de GJ 3470 b no visível, onde as neblinas atmosféricas se tornam cada vez mais transparentes.

Astronomia On-line
5 de Julho de 2019

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1412: Hubble encontra exoplaneta distante desaparecendo a ritmo sem paralelo

Impressão de artista que mostra uma nuvem gigante de hidrogénio oriunda de um planeta quente, do tamanho de Neptuno, a apenas 97 anos-luz da Terra. O exoplaneta é minúsculo quando comparado com a sua estrela, uma anã vermelha de nome GJ 3470. A radiação intensa da estrela está a aquecer o hidrogénio na atmosfera superior do planeta até um ponto em que escapa para o espaço. O mundo alienígena está a perder hidrogénio a uma velocidade 100 vezes superior à de um exoplaneta parecido com Neptuno, previamente observado, cuja atmosfera também está a evaporar-se.
Crédito: NASA, ESA e D. Player (STScI)

A velocidade e a distância a que os planetas orbitam as suas respectivas estrelas pode determinar o destino de cada um – se permanece uma parte integrante do seu sistema solar ou se evapora mais rapidamente para o cemitério escuro do Universo.

Na sua busca por aprender mais sobre planetas distantes para lá do nosso próprio Sistema Solar, os astrónomos descobriram que um planeta de tamanho médio, com aproximadamente o tamanho de Neptuno, de nome GJ 3470b, está a evaporar 100 vezes mais depressa do que um planeta previamente descoberto de tamanho similar, chamado GJ 436b.

As descobertas, publicadas ontem na revista Astronomy & Astrophysics, avançam o conhecimento dos astrónomos sobre a evolução planetária.

“Esta é a prova de que os planetas podem perder uma parte significativa de toda a sua massa,” comenta David Sing, professor emérito da Universidade Johns Hopkins e autor do estudo. “GJ 3470b está a perder mais massa do que qualquer outro planeta que vimos até agora; daqui a alguns milhares de milhões de anos, pode ter desaparecido metade do planeta.”

O estudo faz parte do programa PanCET (Panchromatic Comparative Exoplanet Treasury), liderado por Sing, que visa medir as atmosferas de 20 exoplanetas no ultravioleta, no visível e no infravermelho enquanto orbitam as suas estrelas. O PanCET é o maior programa de observação exoplanetária a ser executado com o Telescópio Espacial Hubble da NASA.

Uma questão de particular interesse para os astrónomos é como os planetas perdem a sua massa através da evaporação. Planetas como as “super” Terras e os Júpiteres “quentes” orbitam muito mais perto das suas estrelas e são, portanto, mais quentes, fazendo com que a camada mais externa das suas atmosferas seja “soprada” através de evaporação.

Embora estes exoplanetas maiores, do tamanho de Júpiter, e mais pequenos, do tamanho da Terra, sejam abundantes, os exoplanetas de tamanho médio, como Neptuno – cerca de quatro vezes o tamanho da Terra – são raros. Os investigadores levantam a hipótese de que estes Neptunos são despojados das suas atmosferas e, finalmente, tornam-se planetas mais pequenos. No entanto, é difícil testemunhar activamente estas etapas porque só podem ser estudados no ultravioleta, o que limita os cientistas a estudar estrelas próximas a não mais do que 150 anos-luz da Terra e não obscurecidas por material interestelar. GJ 3470b está a 96 anos-luz de distância e orbita uma estrela anã vermelha na direcção da constelação de Caranguejo.

Neste estudo, o Hubble descobriu que o exoplaneta GJ 3470b perdeu significativamente mais massa e tinha uma exosfera visivelmente menor do que o primeiro exoplaneta do tamanho de Neptuno estudado, GJ 436b, devido à sua menor densidade e ao recebimento de uma forte explosão de radiação da sua estrela hospedeira.

A densidade mais baixa de GJ 3470b faz com que seja incapaz de se agarrar gravitacionalmente à atmosfera aquecida e, enquanto a estrela que hospeda GJ 436b tem entre 4 e 8 mil milhões de anos, a estrela-mãe de GJ 3470b tem apenas 2 mil milhões de anos. Uma estrela mais jovem é mais activa e poderosa e, portanto, tem mais radiação para aquecer a atmosfera do planeta.

A equipa de Sing estima que GJ 3470b possa já ter perdido até 35% da sua massa total e, daqui a alguns milhares de milhões de anos, todo o seu gás pode ser retirado, deixando para trás apenas um núcleo rochoso.

“Estamos a começar a melhor entender como os planetas se formam e quais as propriedades que influenciam a sua composição geral,” explica Sing. “O nosso objectivo com este estudo e o abrangente programa PanCET é observar de modo geral as atmosferas destes planetas para determinar como cada um é afectado pelo seu próprio ambiente. Ao comparar planetas diferentes, podemos começar a juntar as peças do puzzle da sua evolução.”

Olhando para o futuro, Sing e a sua equipa esperam estudar mais exoplanetas procurando hélio no infravermelho, o que permitirá um maior alcance de investigação do que a busca por hidrogénio na luz ultravioleta.

Actualmente, os planetas que são compostos na sua maioria por hidrogénio e hélio, só podem ser estudados através do rastreamento do hidrogénio no ultravioleta. Usando o Hubble, o Telescópio Espacial James Webb da NASA (que terá uma maior sensibilidade ao hélio), e um novo instrumento chamado Carmenes que Sing descobriu recentemente poder rastrear com precisão a trajectória dos átomos de hélio, os astrónomos serão capazes de ampliar a sua busca por planetas distantes.

Astronomia On-line
14 de Dezembro de 2018

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