Júpiter quente explode seu topo

O planeta chamado HAT-P-32b está a perder tanto do seu hélio atmosférico que as caudas de gás estão entre as maiores estruturas já conhecidas de um exoplaneta, um planeta fora do nosso sistema solar, de acordo com observações de astrónomos.

Simulações tridimensionais (3D) no supercomputador Stampede2 do Texas Advanced Computing Center (TACC) ajudaram a modelar o fluxo da atmosfera do planeta, com base em dados do Telescópio Hobby-Eberly da Universidade do Texas no Observatório McDonald de Austin. Os cientistas esperam alargar a sua rede de observação de planetas e pesquisar 20 sistemas estelares adicionais para encontrar mais planetas que perderam a sua atmosfera e aprender sobre a sua evolução.

“Monitoramos este planeta e a estrela hospedeira com espectroscopia de longas séries temporais, observações feitas da estrela e do planeta durante algumas noites. E o que descobrimos é que há uma gigantesca cauda de gás hélio associada ao planeta. A cauda é grande – cerca de 53 vezes o raio do planeta – formado por gás que escapa do planeta”, disse Zhoujian Zhang, pós-doutorado no Departamento de Astronomia e Astrofísica da Universidade da Califórnia em Santa Cruz.

Zhang é o autor principal de um estudo sobre a cauda de hélio detectada no HAT-P 32b que foi publicado na Science Advances em junho de 2023. A equipe científica usou dados do espectrógrafo Habitable Planet Finder, um instrumento do telescópio Hobby-Eberly, que fornece alta resolução espectral de luz em comprimentos de onda do infravermelho próximo.

O planeta HAT-P-32b foi descoberto em 2011 usando dados espectroscópicos da Rede de Telescópios Automatizados de fabricação húngara. É conhecido como “Júpiter quente”, um gigante gasoso semelhante ao nosso planeta vizinho Júpiter, mas com um raio duas vezes maior. Este Júpiter quente está próximo em órbita da sua estrela hospedeira, a cerca de três por cento da distância da Terra ao Sol. O seu período orbital – o que consideramos um ano aqui na Terra – é de apenas 2,15 dias, e esta proximidade com a estrela queima-a com radiação de ondas longas e curtas.

A principal motivação para o interesse dos cientistas em estudar Júpiteres quentes é a busca pelo mistério do deserto netuniano, a inexplicável escassez relativa, em média, de planetas de massa intermédia, ou sub-Júpiteres, com períodos orbitais curtos.

“Uma das possíveis explicações é que talvez os planetas estejam perdendo massa”, disse Zhang. “Se conseguirmos capturar planetas em processo de perda de atmosfera, então poderemos estudar a rapidez com que o planeta está perdendo massa e quais são os mecanismos que fazem com que sua atmosfera escape do planeta. É bom ter alguns exemplos para ver como o processo HAT-P-32b em ação.”

A luz analisada no estudo vem da estrela HAT-P-32 A. É ligeiramente mais quente e semelhante em tamanho ao nosso próprio sol. A luz analisada não é apenas a luz direta das estrelas. À medida que o planeta passa em frente da estrela, durante apenas algumas horas a luz estelar é filtrada ao máximo pela atmosfera gasosa do planeta. Esta filtragem, chamada absorção, revela características do planeta em trânsito, neste caso enormes fluxos de hélio quando os espectros foram analisados.

Zhang e seus colegas usaram uma técnica chamada espectroscopia de transmissão para separar a luz das estrelas em suas frequências componentes, como um prisma separa a luz solar em um espectro de arco-íris. Lacunas no espectro indicam que a luz está sendo absorvida por elementos da atmosfera gasosa do HAT-P-32b.

“O que vemos nos nossos dados é que quando o planeta está em trânsito pela estrela, vemos que há linhas de absorção de hélio mais profundas. A absorção de hélio é mais forte do que esperamos da atmosfera estelar. Este excesso de absorção de hélio deve ser causado pela atmosfera do planeta. “Quando o planeta está em trânsito, sua atmosfera é tão grande que bloqueia parte da atmosfera que absorve a linha de hélio, e isso causa esse excesso de absorção. Foi assim que descobrimos que o HAT-P-32b é um planeta interessante”, disse Zhang. disse.

As coisas ficaram mais interessantes à medida que desenvolveram simulações hidrodinâmicas 3D do HAT-P-32b e da estrela hospedeira, lideradas por Antonija Oklopčić, Instituto Anton Pannekoek de Astronomia, Universidade de Amsterdã; e Morgan MacLeod, Instituto de Teoria e Computação, Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, Universidade de Harvard.

Os modelos examinaram as interações entre o fluxo planetário e os ventos estelares no campo gravitacional das marés do sistema extrassolar. Os modelos mostraram caudas colunares de fluxo planetário, conduzindo e seguindo o planeta ao longo de seu caminho orbital, com absorção excessiva de hélio, mesmo longe dos pontos de trânsito que correspondiam às observações. Além disso, os modelos sugerem a perda completa da atmosfera em cerca de 4 x 10e10 anos terrestres.

“Usamos os nós Intel Skylake do sistema Stampede2 da TACC para nossos cálculos”, disse MacLeod. “Este cálculo envolve rastrear o fluxo à medida que ele acelera de uma ‘atmosfera’ subsônica lenta perto do planeta para um vento supersônico à medida que se afasta. O sistema HAT-P-32b foi identificado como tendo um fluxo de saída em grande escala semelhante em tamanho à órbita do planeta em torno da estrela. Tomados em conjunto, esses requisitos sugerem a necessidade de um algoritmo estável e de alta precisão para resolver a dinâmica tridimensional dos gases.”

Os modeladores utilizaram o software hidrodinâmico Athena++ e uma configuração de problema personalizada para fazer seus cálculos no Stampede2. Com ele, eles resolvem as equações da dinâmica dos gases em um referencial giratório que corresponde ao movimento orbital do planeta. Athena++ é um código Euleriano – o fluxo é discretizado com elementos de volume – e eles usaram camadas aninhadas de refinamento de malha para capturar o sistema estrela-planeta em grande escala juntamente com a escala muito menor da atmosfera perto da superfície do planeta.

“Usar os sistemas TACC HPC é uma alegria”, disse MacLeod. “Algumas coisas envolvem isso – a primeira e mais importante é o nível de suporte. Sempre que tenho um problema, posso ligar para a linha de suporte, obter ajuda e voltar a fazer a ciência na qual sou melhor. Em segundo lugar, a maior parte do meu tempo é dedicada ao desenvolvimento e validação de resultados de modelos, em vez de executar um cálculo único e em grande escala. Os sistemas TACC estão incrivelmente bem configurados para esta realidade e aceleram enormemente o ritmo de desenvolvimento. ser capaz de executar cálculos de teste nas filas de desenvolvimento ou enviar cálculos maiores de uma variedade de tamanhos antes de um eventual modelo final é crucial e eficaz nesses ambientes.”

Olhando para o futuro, os cientistas esperam continuar a desenvolver modelos 3D sofisticados que captem efeitos como a mistura atmosférica de gases e até ventos na atmosfera em mundos mais distantes, a centenas e até milhares de anos-luz de distância.

“Agora é a hora de ter supercomputadores com poder computacional para fazer isso acontecer”, disse Zhang. “Precisamos que os computadores façam previsões reais com base em avanços recentes na teoria e expliquem os dados. Os supercomputadores fazem a ponte entre o modelo e os dados.”

“A melhor coisa que podemos fazer é observar o céu noturno e tentar recriar o que vemos através de modelagem computacional”, concluiu MacLeod. “Nosso universo é complicado. Isso significa que precisamos ter acesso aos melhores sistemas de supercomputação.”