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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1982: Há novas pistas sobre como as galáxias antigas iluminavam o Universo

James Josephides (Swinburne Astronomy Productions)

O Telescópio Espacial Spitzer da NASA revelou que algumas das primeiras galáxias do Universo eram mais brilhantes do que o esperado.

O excesso de luz é um subproduto das galáxias que libertam quantidades incrivelmente altas de radiação ionizante. A descoberta fornece pistas para a causa da Época da Reionização, um grande evento cósmico que transformou o Universo de opaco à brilhante paisagem estelar que vemos hoje.

Num novo estudo, investigadores relatam observações de algumas das primeiras galáxias formadas no Universo, menos de mil milhões de anos após o Big Bang (ou há pouco mais de 13 mil milhões de anos). Os dados mostram que, em alguns comprimentos de onda específicos no infravermelho, as galáxias são consideravelmente mais brilhantes do que os cientistas antecipavam.

O estudo é o primeiro a confirmar este fenómeno para uma grande amostra de galáxias deste período, mostrando que não eram casos especiais de brilho excessivo, mas que até as galáxias médias presentes naquela época eram muito mais brilhantes nestes comprimentos de onda do que as galáxias que vemos hoje.

Ninguém sabe ao certo quando é que surgiram as primeiras estrelas do nosso Universo. Mas as evidências sugerem que entre 100 milhões e 200 milhões de anos após o Big Bang, o Universo estava preenchido principalmente com hidrogénio gasoso neutro que talvez tivesse apenas começado a coalescer em estrelas, que então começaram a formar as primeiras galáxias. Cerca de mil milhões de anos após o Big Bang, o Universo tinha-se tornado num firmamento cintilante.

Outra coisa também tinha mudado: os electrões do hidrogénio gasoso neutro omnipresente haviam sido removidos num processo chamado ionização. A Época da Reionização – a mudança de um Universo cheio de hidrogénio neutro para um preenchido com hidrogénio ionizado – está bem documentada.

Antes desta transformação universal, a luz em comprimentos de onda longos, como ondas de rádio e luz visível, atravessavam o Universo mais ou menos livremente. Mas os comprimentos de onda mais curtos – incluindo luz ultravioleta, raios-X e raios-gama – eram interrompidos pelos átomos de hidrogénio neutro. Estas colisões retirariam os electrões dos átomos de hidrogénio neutro, ionizando-os.

Mas o que pode ter produzido radiação ionizante suficiente para afectar todo o hidrogénio no Universo? Será que foram as estrelas individuais? Galáxias gigantes? O culpado, a ser um destes dois primeiros colonizadores cósmicos, teria sido diferente da maioria das estrelas e galáxias modernas, que normalmente não libertam grandes quantidades de radiação ionizante. Mesmo assim, talvez outra coisa tenha provocado o evento, como por exemplo quasares – galáxias com centros incrivelmente brilhantes, alimentados por quantidades enormes de material em órbita de buracos negros super-massivos.

“É uma das maiores questões em aberto na cosmologia observacional,” disse Stephane De Barros, autor principal do estudo e investigador pós-doutorado da Universidade de Genebra, Suíça. “Sabemos que aconteceu, mas o que a desencadeou? Estas novas descobertas podem ser uma grande pista.”

À procura de luz

Para retroceder no tempo, até à era mesmo antes do fim da Época da Reionização, o Spitzer observou duas regiões do céu durante mais de 200 horas cada, permitindo que o telescópio espacial recolhesse luz que havia viajado durante mais de 13 mil milhões de anos para chegar até nós.

Sendo algumas das mais longas observações científicas já realizadas pelo Spitzer, fizeram parte de uma campanha de observação chamada GREATS (GOODS Re-ionization Era wide-Area Treasury from Spitzer; GOODS é ainda outra sigla: Great Observatories Origins Deep Survey, uma campanha que realizou as primeiras observações de alguns alvos do GREATS).

O estudo, publicado esta semana na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, também usou dados de arquivo do Telescópio Espacial Hubble da NASA.

Usando estas observações ultra-profundas do Spitzer, a equipa de astrónomos observou 135 galáxias distantes e descobriu que eram particularmente brilhantes em dois comprimentos de onda específicos no infravermelho, produzidos por radiação ionizante que interage com os gases hidrogénio e oxigénio dentro das galáxias.

Isto implica que estas galáxias foram dominadas por estrelas jovens e massivas compostas principalmente por hidrogénio e hélio. Contêm quantidades muito pequenas de elementos “pesados” (como azoto, carbono e oxigénio) em comparação com as estrelas encontradas nas galáxias modernas comuns.

Estas estrelas não foram as primeiras estrelas formadas no Universo (essas seriam apenas compostas por hidrogénio e hélio), mas ainda assim fazem parte de uma geração muito antiga de estrelas. A Época da Reionização não foi um evento instantâneo, de modo que embora os novos resultados não sejam suficientes para fechar o capítulo sobre este evento cósmico, ainda assim fornecem novos detalhes sobre como o Universo evoluiu neste momento e como a transição decorreu.

“Não esperávamos que o Spitzer, com um espelho não muito maior do que um Hula-Hoop, fosse capaz de ver galáxias tão próximas da aurora do tempo,” disse Michael Werner, cientista do projecto Spitzer no JPL da NASA em Pasadena, no estado norte-americano da Califórnia. “Mas a Natureza está cheia de surpresas e o brilho inesperado destas primeiras galáxias, juntamente com o excelente desempenho do Spitzer, coloca-as ao alcance do nosso pequeno, mas poderoso observatório.”

O Telescópio Espacial James Webb da NASA, com lançamento previsto para 2021, vai estudar o Universo em muitos dos mesmos comprimentos de onda observados pelo Spitzer. Mas o espelho primário do Spitzer mede apenas 85 cm de diâmetro e o do Webb é de 6,5 metros – cerca de 7,5 vezes maior – permitindo que o Webb estude estas galáxias em muito maior detalhe.

De facto, o Webb vai tentar detectar a luz das primeiras estrelas e galáxias do Universo. O novo estudo mostra que, devido ao seu brilho nesses comprimentos de onda infravermelhos, as galáxias observadas com o Spitzer serão mais fáceis de estudar com o Webb do que se pensava anteriormente.

“Estes resultados do Spitzer são certamente mais um passo para resolver o mistério da reionização cósmica,” disse Pascal Oesch, professor assistente da Universidade de Genebra e co-autor do estudo. “Sabemos agora que as condições físicas nestas galáxias iniciais eram muito diferentes das das galáxias típicas de hoje. O trabalho do Telescópio Espacial James Webb será o de descobrir o porquê.”

ZAP // CCVAlg

Por CCVAlg
14 Maio, 2019


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1954: Novas pistas sobre como as primeiras galáxias iluminaram o Universo

Esta imagem ultra-profunda do céu obtida pelos telescópios Hubble e Spitzer é dominada por galáxias, incluindo algumas muito ténues e distantes com um círculo vermelho. A inserção em baixo e à direita mostra a luz recolhida de uma dessas galáxias durante uma observação com um tempo de exposição longo.
Crédito: NASA/JPL-Caltech/ESA/Spitzer/P. Oesch/S. De Barros/I. Labbe

O Telescópio Espacial Spitzer da NASA revelou que algumas das primeiras galáxias do Universo eram mais brilhantes do que o esperado. O excesso de luz é um subproduto das galáxias que libertam quantidades incrivelmente altas de radiação ionizante. A descoberta fornece pistas para a causa da Época da Reionização, um grande evento cósmico que transformou o Universo de opaco à brilhante paisagem estelar que vemos hoje.

Num novo estudo, investigadores relatam observações de algumas das primeiras galáxias formadas no Universo, menos de mil milhões de anos após o Big Bang (ou há pouco mais de 13 mil milhões de anos). Os dados mostram que, em alguns comprimentos de onda específicos no infravermelho, as galáxias são consideravelmente mais brilhantes do que os cientistas antecipavam. O estudo é o primeiro a confirmar este fenómeno para uma grande amostra de galáxias deste período, mostrando que não eram casos especiais de brilho excessivo, mas que até as galáxias médias presentes naquela época eram muito mais brilhantes nestes comprimentos de onda do que as galáxias que vemos hoje.

Ninguém sabe ao certo quando é que surgiram as primeiras estrelas do nosso Universo. Mas as evidências sugerem que entre 100 milhões e 200 milhões de anos após o Big Bang, o Universo estava preenchido principalmente com hidrogénio gasoso neutro que talvez tivesse apenas começado a coalescer em estrelas, que então começaram a formar as primeiras galáxias. Cerca de mil milhões de anos após o Big Bang, o Universo tinha-se tornado num firmamento cintilante. Outra coisa também tinha mudado: os electrões do hidrogénio gasoso neutro omnipresente haviam sido removidos num processo chamado ionização. A Época da Reionização – a mudança de um Universo cheio de hidrogénio neutro para um preenchido com hidrogénio ionizado – está bem documentada.

Antes desta transformação universal, a luz em comprimentos de onda longos, como ondas de rádio e luz visível, atravessavam o Universo mais ou menos livremente. Mas os comprimentos de onda mais curtos – incluindo luz ultravioleta, raios-X e raios-gama – eram interrompidos pelos átomos de hidrogénio neutro. Estas colisões retirariam os electrões dos átomos de hidrogénio neutro, ionizando-os.

Mas o que pode ter produzido radiação ionizante suficiente para afectar todo o hidrogénio no Universo? Será que foram as estrelas individuais? Galáxias gigantes? O culpado, a ser um destes dois primeiros colonizadores cósmicos, teria sido diferente da maioria das estrelas e galáxias modernas, que normalmente não libertam grandes quantidades de radiação ionizante. Mesmo assim, talvez outra coisa tenha provocado o evento, como por exemplo quasares – galáxias com centros incrivelmente brilhantes, alimentados por quantidades enormes de material em órbita de buracos negros super-massivos.

“É uma das maiores questões em aberto na cosmologia observacional,” disse Stephane De Barros, autor principal do estudo e investigador pós-doutorado da Universidade de Genebra, Suíça. “Sabemos que aconteceu, mas o que a desencadeou? Estas novas descobertas podem ser uma grande pista.”

À procura de luz

Para retroceder no tempo, até à era mesmo antes do fim da Época da Reionização, o Spitzer observou duas regiões do céu durante mais de 200 horas cada, permitindo que o telescópio espacial recolhesse luz que havia viajado durante mais de 13 mil milhões de anos para chegar até nós.

Sendo algumas das mais longas observações científicas já realizadas pelo Spitzer, fizeram parte de uma campanha de observação chamada GREATS (GOODS Re-ionization Era wide-Area Treasury from Spitzer; GOODS é ainda outra sigla: Great Observatories Origins Deep Survey, uma campanha que realizou as primeiras observações de alguns alvos do GREATS). O estudo, publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, também usou dados de arquivo do Telescópio Espacial Hubble da NASA.

Usando estas observações ultra-profundas do Spitzer, a equipa de astrónomos observou 135 galáxias distantes e descobriu que eram particularmente brilhantes em dois comprimentos de onda específicos no infravermelho, produzidos por radiação ionizante que interage com os gases hidrogénio e oxigénio dentro das galáxias. Isto implica que estas galáxias foram dominadas por estrelas jovens e massivas compostas principalmente por hidrogénio e hélio. Contêm quantidades muito pequenas de elementos “pesados” (como azoto, carbono e oxigénio) em comparação com as estrelas encontradas nas galáxias modernas comuns.

Estas estrelas não foram as primeiras estrelas formadas no Universo (essas seriam apenas compostas por hidrogénio e hélio), mas ainda assim fazem parte de uma geração muito antiga de estrelas. A Época da Reionização não foi um evento instantâneo, de modo que embora os novos resultados não sejam suficientes para fechar o capítulo sobre este evento cósmico, ainda assim fornecem novos detalhes sobre como o Universo evoluiu neste momento e como a transição decorreu.

“Não esperávamos que o Spitzer, com um espelho não muito maior do que um Hula-Hoop, fosse capaz de ver galáxias tão próximas da aurora do tempo,” disse Michael Werner, cientista do projecto Spitzer no JPL da NASA em Pasadena, no estado norte-americano da Califórnia. “Mas a Natureza está cheia de surpresas e o brilho inesperado destas primeiras galáxias, juntamente com o excelente desempenho do Spitzer, coloca-as ao alcance do nosso pequeno, mas poderoso observatório.”

O Telescópio Espacial James Webb da NASA, com lançamento previsto para 2021, vai estudar o Universo em muitos dos mesmos comprimentos de onda observados pelo Spitzer. Mas o espelho primário do Spitzer mede apenas 85 cm de diâmetro e o do Webb é de 6,5 metros – cerca de 7,5 vezes maior – permitindo que o Webb estude estas galáxias em muito maior detalhe. De facto, o Webb vai tentar detectar a luz das primeiras estrelas e galáxias do Universo. O novo estudo mostra que, devido ao seu brilho nesses comprimentos de onda infravermelhos, as galáxias observadas com o Spitzer serão mais fáceis de estudar com o Webb do que se pensava anteriormente.

“Estes resultados do Spitzer são certamente mais um passo para resolver o mistério da reionização cósmica,” disse Pascal Oesch, professor assistente da Universidade de Genebra e co-autor do estudo. “Sabemos agora que as condições físicas nestas galáxias iniciais eram muito diferentes das das galáxias típicas de hoje. O trabalho do Telescópio Espacial James Webb será o de descobrir o porquê.”

Astronomia On-line
10 de Maio de 2019

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