JWST revela nuvens de areia e olivina nos exoplanetas do sistema YSES-1

As novas imagens do JWST chegam tão perto quanto já conseguimos de “ver” o céu de um mundo alienígena fora do Sistema Solar.

Registos diretos de um exoplaneta gigante gasoso em órbita de uma estrela chamada YSES-1 revelaram nuvens de areia muito fina a flutuar nas camadas altas da atmosfera. E há mais: observações semelhantes de um mundo vizinho indicam que ele está envolto por um grande disco em redemoinho rico em olivina - um mineral que, na Terra, pode dar origem à pedra preciosa peridoto.

“Tudo é empolgante nestes dois resultados”, disse à ScienceAlert o astrofísico e autor principal Kielan Hoch, do Space Telescope Science Institute.

“As observações foram inéditas porque conseguimos observar ‘dois pelo preço de um’ com o JWST NIRSpec, e descobrir duas características planetárias importantes em cada objeto.”

Por que é tão difícil ver exoplanetas diretamente

Planetas fora do nosso Sistema Solar são alvos notoriamente difíceis. Enxergá-los de forma direta é extremamente complicado: estão muito longe, são pequenos e pouco luminosos, além de ficarem escondidos pelo brilho intenso das estrelas que orbitam.

Dos quase 6.000 exoplanetas confirmados até hoje, a esmagadora - esmagadora - maioria foi encontrada e medida apenas de modo indireto, isto é, a partir das alterações que a sua presença provoca na luz da estrela hospedeira. Só cerca de 80 exoplanetas foram observados diretamente.

Há muita coisa que se pode inferir quando um planeta “puxa” o que está ao seu redor ou quando passa na frente da sua estrela. Ainda assim, observar diretamente a luz que ele próprio emite pode revelar muito mais. O problema é que é preciso um instrumento muito potente para extrair um sinal nítido da luz fraca até mesmo dos exoplanetas mais próximos.

O sistema YSES-1 e os dois gigantes gasosos

O sistema YSES-1 está a apenas 306 anos-luz e possui dois planetas conhecidos: o YSES-1b, mais próximo da estrela, a uma distância de 160 unidades astronómicas (UA), e o YSES-1c, a 320 UA.

O YSES-1c tem cerca de seis vezes a massa de Júpiter. Já o YSES-1b é o mais massivo dos dois, com aproximadamente 14 vezes a massa de Júpiter, o que o coloca exatamente no limite de massa entre planetas e anãs castanhas.

Observações diretas anteriores deste sistema já sugeriam que esses mundos poderiam ter propriedades atmosféricas interessantes, mas os instrumentos usados na época não tinham sensibilidade suficiente para detetá-las.

Aí entra o JWST.

O que o NIRSpec do JWST conseguiu medir

“Com o instrumento NIRSpec no JWST, conseguimos obter imagens dos planetas em milhares de comprimentos de onda ao mesmo tempo. Essas imagens podem ser processadas para gerar espectros, que são a luz térmica proveniente do próprio planeta”, explicou Hoch.

“À medida que a luz atravessa a atmosfera do exoplaneta, uma parte dela é absorvida por moléculas e cria quedas no brilho do planeta. É assim que conseguimos dizer do que as atmosferas são feitas!”

O saldo foi um feito significativo: o conjunto de dados espectrais mais detalhado de um sistema com múltiplos planetas compilado até hoje.

Nos dois exoplanetas, os investigadores encontraram indícios de água, monóxido de carbono, dióxido de carbono e metano na atmosfera - componentes relativamente comuns. O interesse aumenta quando se observam as diferenças entre eles.

YSES-1c: assinaturas de silicatos e possíveis partículas altas na atmosfera

“Para o YSES-1c, vemos muitas características moleculares de água, dióxido de carbono e monóxido de carbono, e metano. Em comprimentos de onda mais longos, vemos absorção causada por partículas de silicatos, que tem um formato espectral diferente”, afirmou Hoch.

“Usamos dados laboratoriais de diferentes partículas e estruturas para modelar quais silicatos se ajustam melhor aos dados e determinar outras propriedades dessas partículas. Os nossos modelos mostram que pode haver pequenas partículas de silicatos nas camadas altas da atmosfera, que podem conter pequenas quantidades de ferro que precipitam para fora das nuvens. No entanto, os nossos modelos também mostram que uma mistura apenas de silicatos também pode ajustar-se aos dados.”

Em outras palavras, o JWST sugere a presença de uma camada elevada de partículas finas - compatíveis com areia/silicatos - a interferir na luz térmica medida.

YSES-1b: um disco com grãos de olivina onde não se esperava

No YSES-1b, não apareceu uma assinatura espectral equivalente à do YSES-1c. Em vez disso, surgiu outra coisa: o sinal de pequenos grãos de olivina num disco ao redor do exoplaneta.

A olivina é um mineral que, na Terra, se forma em condições vulcânicas; exemplos particularmente finos e com qualidade de gema originam o peridoto. A olivina também aparece em meteoritos, o que sugere que este mineral pode formar-se com facilidade em cenários de rocha derretida.

Ainda assim, não era esperado ver olivina em forma de poeira ao redor do YSES-1b. Segundo Hoch, a sedimentação do pó é um processo eficiente e deveria ocorrer em, no máximo, cerca de 5 milhões de anos. Já o sistema YSES-1 é estimado em torno de 16,7 milhões de anos.

Uma possibilidade é que essa poeira rica em olivina seja detrito de uma colisão entre objetos a orbitar perto do YSES-1b - o que implicaria que as observações foram feitas num momento particularmente “sortudo” do ponto de vista cósmico.

Surpresas, perguntas em aberto e os próximos passos

Ambos os resultados chamam atenção.

“Nós esperávamos detetar nuvens na atmosfera do YSES-1c, porque o seu tipo espectral é teorizado como tendo uma atmosfera nublada. Mas, quando vimos a característica, ela era drasticamente diferente de outras características de silicatos vistas em anãs castanhas”, disse Hoch.

“Não esperávamos ver evidências de um disco ao redor do planeta interior YSES-1b. Isso foi certamente uma surpresa.”

As melhores observações em astrofísica costumam levantar tantas questões quanto respondem, e o sistema YSES-1 não foge à regra. O disco em torno do YSES-1b é uma delas. Também ainda sabemos pouco sobre atmosferas de exoplanetas e sobre quanto tempo esses objetos levam para se formar. Trabalhos em curso para estudar diretamente a atmosfera de outros exoplanetas devem ajudar a preencher parte dessas lacunas.

“Eu também fico empolgado com o resultado porque esta pesquisa foi liderada por cientistas no início da carreira. Eu era estudante de pós-graduação quando propus usar o JWST para imagear este sistema planetário, e o JWST ainda não tinha sido lançado e não foi projetado para observar exoplanetas”, contou Hoch.

“Os cinco primeiros autores do manuscrito vão desde estudante de pós-graduação no primeiro ano até pesquisador pós-doutorando. Eu acredito que isto destaca a necessidade de apoiar cientistas em início de carreira, e esse é o resultado mais empolgante para mim.”

A pesquisa foi publicada na Nature.