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Uma equipe internacional liderada por Stefan Pelletier, Ph.D. Um estudante do Trottier Institute for Research on Exoplanets da Université de Montréal anunciou hoje ter feito um estudo detalhado do exoplaneta gigante extremamente quente WASP-76 b.
Usando o instrumento MAROON-X no Telescópio Gemini-Norte, a equipe conseguiu identificar e medir a abundância de 11 elementos químicos na atmosfera do planeta.
Isso inclui elementos formadores de rocha cujas abundâncias não são conhecidas nem mesmo para planetas gigantes do Sistema Solar, como Júpiter ou Saturno. O estudo da equipe foi publicado na revista Natureza.
“Verdadeiramente raros são os momentos em que um exoplaneta a centenas de anos-luz de distância pode nos ensinar algo que, de outra forma, provavelmente seria impossível saber sobre nosso próprio Sistema Solar”, disse Pelletier. “Este é o caso com este estudo.”
Um mundo grande, quente e estranho
WASP-76b é um mundo estranho. Atinge temperaturas extremas porque está muito próximo de sua estrela-mãe, uma estrela massiva a 634 anos-luz de distância na constelação de Peixes: aproximadamente 12 vezes mais perto do que Mercúrio está do Sol. Com uma massa semelhante à de Júpiter, mas quase seis vezes maior em volume, é bastante “inchado”.
Desde sua descoberta pelo programa Wide Angle Search for Planets (WASP) em 2013, muitas equipes o estudaram e identificaram vários elementos em sua atmosfera. Notavelmente, em um estudo também publicado na Natureza em março de 2020, uma equipe encontrou uma assinatura de ferro e levantou a hipótese de que poderia haver chuva de ferro no planeta.
Ciente desses estudos, Pelletier ficou motivado a obter novas observações independentes de WASP-76 b usando o espectrógrafo óptico de alta resolução MAROON-X no Telescópio Gemini-Norte de 8 metros no Havaí, parte do Observatório Internacional Gemini, operado pelo NOIRLab da NSF.
“Reconhecemos que o novo e poderoso espectrógrafo MAROON-X nos permitiria estudar a composição química de WASP-76 b com um nível de detalhe sem precedentes para qualquer planeta gigante”, disse o professor de astronomia da UdeM Björn Benneke, coautor do estudo e Supervisor de pesquisa de doutorado de Stefan Pelletier.
Uma composição semelhante à do Sol
Dentro do Sol, as abundâncias de quase todos os elementos da tabela periódica são conhecidas com grande precisão. Nos planetas gigantes do nosso Sistema Solar, no entanto, isso é verdade apenas para um punhado de elementos, cujas composições permanecem pouco restritas. E isso dificultou a compreensão dos mecanismos que regem a formação desses planetas.
Por estar tão próximo de sua estrela, WASP-76 b tem uma temperatura bem acima de 2000°C. Nesses graus, muitos elementos que normalmente formariam rochas aqui na Terra (como magnésio e ferro) são vaporizados e presentes na forma gasosa na atmosfera superior. Estudar este planeta peculiar permite uma visão sem precedentes sobre a presença e abundância de elementos formadores de rocha em planetas gigantes, uma vez que em planetas gigantes mais frios como Júpiter, esses elementos são mais baixos na atmosfera e impossíveis de detectar.
A abundância de muitos elementos medidos por Pelletier e sua equipe na atmosfera do exoplaneta – como manganês, cromo, magnésio, vanádio, bário e cálcio – coincide muito com a de sua estrela hospedeira, bem como do nosso próprio Sol.
Essas abundâncias não são aleatórias: elas são o produto direto do Big Bang, seguido por bilhões de anos de nucleossíntese estelar, então os cientistas medem aproximadamente a mesma composição em todas as estrelas. É, no entanto, diferente da composição de planetas rochosos como a Terra, que se formam de maneira mais complexa.
Os resultados deste novo estudo indicam que os planetas gigantes podem manter uma composição geral que reflete a do disco protoplanetário a partir do qual se formaram.
Esgotamento de outros elementos muito interessante
No entanto, outros elementos foram esgotados no planeta em comparação com a estrela – um resultado que Pelletier achou particularmente interessante.
“Esses elementos que parecem estar faltando na atmosfera do WASP-76 b são precisamente aqueles que requerem temperaturas mais altas para vaporizar, como titânio e alumínio”, disse ele. “Enquanto isso, aqueles que correspondem às nossas previsões, como manganês, vanádio ou cálcio, vaporizam a temperaturas ligeiramente mais baixas.”
A interpretação da equipe de descoberta é que a composição observada das atmosferas superiores de planetas gigantes pode ser extremamente sensível à temperatura. Dependendo da temperatura de condensação de um elemento, ele estará na forma de gás e presente na parte superior da atmosfera, ou condensará na forma líquida, onde afundará em camadas mais profundas. Quando na forma de gás, desempenha um papel importante na absorção de luz e pode ser observado nas observações dos astrônomos. Quando condensado, não pode ser detectado pelos astrônomos e fica completamente ausente de suas observações.
“Se confirmada, essa descoberta significaria que dois exoplanetas gigantes com temperaturas ligeiramente diferentes um do outro poderiam ter atmosferas muito diferentes”, disse Pelletier. “Mais ou menos como dois potes de água, um a -1°C que está congelado e outro que está a +1°C que é líquido. Por exemplo, o cálcio é observado em WASP-76 b, mas pode não estar em um planeta um pouco mais frio.”
Primeira detecção de óxido de vanádio
Outra descoberta interessante da equipe de Pelletier é a detecção de uma molécula chamada óxido de vanádio. Esta é a primeira vez que foi detectado de forma inequívoca em um exoplaneta e é de grande interesse para os astrônomos porque eles sabem que pode ter um grande impacto em planetas gigantes quentes.
“Esta molécula desempenha um papel semelhante ao ozônio na atmosfera da Terra: é extremamente eficiente no aquecimento da atmosfera superior”, explicou Pelletier. “Isso faz com que as temperaturas aumentem em função da altitude, em vez de diminuir, como normalmente é visto em planetas mais frios”.
Um elemento, o níquel, é claramente mais abundante na atmosfera do exoplaneta do que os astrônomos esperavam. Muitas hipóteses poderiam explicar isso; uma delas é que WASP-76 b poderia ter agregado material de um planeta semelhante a Mercúrio. Em nosso Sistema Solar, o pequeno planeta rochoso é enriquecido com metais como o níquel devido à forma como foi formado.
A equipe de Pelletier também descobriu que a assimetria na absorção de ferro entre os hemisférios leste e oeste do WASP-76 b relatada em estudos anteriores está presente de forma semelhante em muitos outros elementos. Isso significa que o fenômeno subjacente que causa isso é provavelmente um processo global, como uma diferença de temperatura ou nuvens presentes em um lado do planeta, mas não no outro, em vez de ser o resultado da condensação em forma líquida, como sugerido anteriormente.
Confirmando e aproveitando as lições aprendidas
Pelletier e sua equipe estão muito interessados em aprender mais sobre este exoplaneta e outros planetas gigantes ultraquentes, em parte para confirmar sua hipótese sobre as atmosferas muito diferentes que podem prevalecer em planetas com temperaturas ligeiramente diferentes.
Eles também esperam que outros pesquisadores aproveitem o que aprenderam com este exoplaneta gigante e o apliquem para melhorar nossa compreensão de nossos próprios planetas do Sistema Solar e como eles surgiram.
“Gerações de pesquisadores usaram as abundâncias medidas de Júpiter, Saturno, Urano e Netuno para hidrogênio e hélio para comparar as teorias de formação de planetas gasosos”, disse Benneke. “Da mesma forma, as medições de elementos mais pesados, como cálcio ou magnésio no WASP-76 b, ajudarão a entender melhor a formação de planetas gasosos.
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