James Webb encontra metano em TOI-199b

A maioria das atmosferas de exoplanetas analisadas pelo Telescópio Espacial James Webb, da NASA, pertence a mundos tão quentes que o ferro chega a evaporar.

Os Júpiteres quentes - planetas gigantes que completam uma órbita em poucos dias, muito perto das suas estrelas - foram sendo cartografados ao longo do tempo, e hoje a química geral desses corpos é relativamente bem compreendida.

Já os gigantes gasosos mais afastados, que circulam em órbitas mais frias e estáveis e levam cerca de cem dias para dar uma volta, continuam quase totalmente desconhecidos.

Para essa categoria ainda pouco explorada, modelos teóricos vinham fazendo previsões. Uma delas apontava que, se fosse possível “espiar” o interior atmosférico desses mundos, haveria metano.

Se esses modelos estavam certos era outra história - até agora.

Um planeta entre extremos

O mundo em destaque é o TOI-199b. Ele tem aproximadamente o tamanho de Saturno, mas apenas uma fração da sua massa, e orbita uma estrela parecida com o Sol a mais de 330 anos-luz de distância.

Uma volta completa em torno da estrela leva algo em torno de cem dias.

As características básicas do TOI-199b já tinham sido medidas e descritas num artigo anterior.

O estudo atual foi liderado por Renyu Hu, professor associado da Universidade Estadual da Pensilvânia (PSU).

Com cerca de 175 °F (aprox. 79 °C), o planeta é muito mais frio do que os mundos de mil graus que dominam a maior parte dos estudos de exoplanetas.

Apenas um pequeno número desses mundos temperados é sequer conhecido - e este é o primeiro a ter a sua atmosfera destrinchada com esse nível de detalhe.

Ler a luz ao atravessar o ar

Descobrir do que é feito o “ar” de um exoplaneta exige tempo e persistência.

Os astrónomos aguardam o instante em que o planeta passa à frente da sua estrela e, então, observam como a luz estelar atravessa as camadas externas da atmosfera.

Alguns comprimentos de onda são absorvidos pelos gases que estão no caminho, deixando uma assinatura na luz que finalmente chega ao telescópio.

O método tem um nome técnico - espectroscopia de transmissão -, mas o princípio é direto.

Os instrumentos do Webb separam a luz recebida nas suas cores componentes, comprimento de onda por comprimento de onda. Pequenas quedas no espectro denunciam quais moléculas estão presentes.

Uma observação feita com calma

O trânsito em si durou cerca de sete horas, bem mais do que as passagens aceleradas dos Júpiteres quentes, que podem terminar em menos de uma hora.

Além disso, o Webb manteve a observação da estrela por quase 20 horas seguidas, para construir uma linha de base limpa de como a luz se comportava quando o planeta não estava à frente.

Ao comparar esses dois registos, ficou claro exatamente quais “cores” o planeta absorveu de forma discreta.

O primeiro autor do estudo foi Aaron Bello-Arufe, pesquisador de pós-doutorado no Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da NASA.

O que o espectro revelou

Quando os dois registos foram alinhados, um padrão de absorção se destacou imediatamente: metano.

A atmosfera reteve justamente os comprimentos de onda que esse gás costuma absorver - uma impressão digital que nenhuma outra molécula comum reproduz nessas mesmas cores.

“Quando comparamos os espectros durante o trânsito com a linha de base, vimos que a atmosfera bloqueou os comprimentos de onda da luz estelar absorvidos pelo metano”, disse Bello-Arufe.

Havia muito tempo que modelos previam isso para gigantes gasosos temperados.

Até este trabalho, porém, ninguém tinha observado essa correspondência de forma direta num planeta deste tipo. A confirmação dá aos modeladores um teste no mundo real num intervalo de temperatura que ainda não tinha sido amostrado.

Pistas químicas para além do metano

Os dados também indicaram uma estrutura menor e menos segura noutra região do espectro.

Os modelos da equipa sugerem que isso pode apontar para amónia ou, possivelmente, outro composto com nitrogénio.

As duas moléculas interessam aos químicos planetários, porque as suas concentrações relativas podem revelar quanto transporte e mistura acontecem entre o interior profundo e a parte superior mais fria da atmosfera.

Para definir essa ligação com mais firmeza, serão necessários mais dados. Também apareceram sinais fracos de dióxido de carbono.

Nenhum desses sinais secundários tem o mesmo peso da deteção de metano, e separar o que é real do que é ruído vai exigir mais tempo de observação com o Webb.

Um eco do nosso bairro cósmico

O que foi encontrado em torno do TOI-199b lembra, à distância, as atmosferas de Saturno e Júpiter, onde metano e amónia são componentes bem conhecidos.

O Webb também já tinha identificado metano num mundo menor e mais frio chamado K2-18b, num estudo anterior que recebeu ampla atenção porque esse planeta está na zona habitável da sua estrela.

Em conjunto, esse padrão sugere que o metano aparece de forma consistente nas atmosferas de mundos temperados com ar leve e rico em hidrogénio.

Era algo que a área suspeitava há anos, mas que não conseguia comprovar sem instrumentos com esta sensibilidade.

São necessárias observações adicionais

A observação não foi impecável. Um desalinhamento no apontamento reduziu a precisão do espectro em relação ao que a equipa tinha planeado inicialmente.

Mesmo assim, o sinal de metano surgiu com força.

Os pesquisadores também testaram, por meio de modelos inspirados na química de Titã, lua de Saturno, se a atmosfera poderia conter névoas - partículas suspensas capazes de “suavizar” algumas marcas de absorção.

A preferência por modelos com névoa, em comparação com uma atmosfera limpa, foi fraca. Confirmar se o TOI-199b realmente tem nuvens ou névoas vai exigir uma observação mais longa.

Próximas linhas de pesquisa

Durante décadas, a química dos planetas gigantes que não são nem escaldantes nem tão frios quanto os do Sistema Solar foi um vazio no mapa.

A equipa de Hu adicionou um único ponto de dados a essa lacuna.

O metano está presente na atmosfera de um gigante gasoso temperado em quantidades próximas às que os modelos antecipavam.

Isso indica aos pesquisadores que a química subjacente desses modelos se mantém quando confrontada com um planeta real nessa faixa de temperatura.

Com mais tempo de Webb, a equipa poderá determinar com mais precisão as quantidades relativas de metano, amónia e dióxido de carbono no TOI-199b e compará-las com as de outros gigantes temperados.

Deve emergir, a partir daí, uma visão mais nítida de como a própria atmosfera da Terra se encaixa na história mais ampla da química planetária.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech