JWST revela nuvens e um disco de olivina em YSES-1b e YSES-1c

Imagens recentes do JWST chegaram tão perto quanto já conseguimos de visualizar, de forma concreta, como seria o “céu” de um mundo alienígena fora do Sistema Solar.

Ao obter imagens diretas de um exoplaneta gigante gasoso em órbita da estrela chamada YSES-1, os astrónomos identificaram nuvens de areia muito fina a flutuar nas camadas altas da atmosfera. Além disso, medições semelhantes de um mundo vizinho indicam que ele pode estar envolto por um grande disco rodopiante, com abundância de olivina - um mineral que, na Terra, pode originar a gema peridoto.

"Everything is exciting about these two results," disse à ScienceAlert o astrofísico Kielan Hoch, do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial, e autor principal do trabalho.

"The observations were novel as we could observe 'two for the price of one' with JWST NIRSpec, and discovering two major planetary features on each object."

Por que imagens diretas de exoplanetas são tão raras

Planetas para lá do nosso Sistema Solar são alvos notoriamente difíceis. Ver esses mundos diretamente é um desafio enorme: estão a distâncias imensas, em geral são pequenos e pouco luminosos, e acabam encobertos pelo brilho intenso das estrelas que orbitam.

Entre quase 6,000 exoplanetas já confirmados, a esmagadora - e muito maior - parte só foi identificada e medida por métodos indiretos, isto é, a partir das alterações que a sua presença provoca na luz da estrela hospedeira. Apenas cerca de 80 exoplanetas foram efetivamente observados de forma direta.

Há muita informação que se consegue extrair quando um planeta “puxa” gravitacionalmente o que está à sua volta ou quando passa à frente da sua estrela. Ainda assim, captar diretamente a luz que o próprio planeta emite pode revelar muito mais. O problema é que, mesmo para os exoplanetas mais próximos, o sinal é extremamente fraco - e separar esse brilho da luz estelar exige instrumentos muito potentes.

O sistema YSES-1: YSES-1b e YSES-1c em detalhe

O sistema YSES-1 fica a apenas 306 anos-luz de distância e abriga dois planetas conhecidos. O YSES-1b está mais perto da estrela, a 160 unidades astronómicas (UA), enquanto o YSES-1c orbita mais longe, a 320 UA. O YSES-1c tem cerca de seis vezes a massa de Júpiter, ao passo que o YSES-1b é o mais massivo dos dois, com aproximadamente 14 vezes a massa de Júpiter - valor que o coloca no limite de massa entre planetas e anãs castanhas.

Observações diretas anteriores desse sistema já apontavam a possibilidade de existirem características atmosféricas interessantes, mas os equipamentos disponíveis na época não tinham sensibilidade suficiente para detetá-las com segurança.

Foi aí que entrou o JWST.

Como o JWST NIRSpec lê a luz do planeta

"With the NIRSpec instrument on JWST we are able to get images of the planets at thousands of wavelengths at once. The images can be reduced to produce spectra, which is thermal light coming from the planet itself," explicou Hoch.

"As the light passes through the atmosphere of the exoplanet, some of the light will get absorbed by molecules and cause dips in brightness of the planet. This is how we are able to tell what the atmospheres are made of!"

O resultado desse processo foi um conjunto de dados espectrais extremamente detalhado - o mais completo já reunido até hoje para um sistema multiplanetário.

O que o JWST encontrou: nuvens no YSES-1c e um disco de olivina no YSES-1b

Nos dois exoplanetas, a equipa identificou indícios de água, monóxido de carbono, dióxido de carbono e metano na atmosfera - componentes relativamente comuns em atmosferas planetárias. As diferenças entre os dois mundos, porém, é que tornam o quadro realmente intrigante.

"For YSES-1c, we see lots of molecular features from water, carbon dioxide and carbon monoxide, and methane. At longer wavelengths, we see absorption caused by silicate particles, which has a different spectral shape," afirmou Hoch.

"We use laboratory data of different particles and structures to model which silicates fit the data best and determine other properties of those particles. Our models show that there could be small silicate particles high up in the atmosphere that can contain small amounts of iron that rains out of the clouds. However, our models also show that a mixture of only silicates can also fit the data."

Em outras palavras, os sinais no espectro do YSES-1c são compatíveis com a presença de partículas de silicatos em altitude - interpretadas como nuvens formadas por material semelhante a areia muito fina.

No caso do YSES-1b, não apareceu uma assinatura espectral equivalente. Em compensação, surgiu algo diferente: a marca de pequenos grãos de olivina num disco em torno do exoplaneta.

Na Terra, a olivina é um mineral associado a ambientes vulcânicos; quando se forma com qualidade gemológica, pode dar origem ao peridoto. Ela também é encontrada em meteoritos, o que sugere que se produz com relativa facilidade em cenários de rocha fundida.

Ainda assim, a presença de olivina em forma de poeira ao redor do YSES-1b não é o que se esperaria. A deposição de poeira é um processo eficiente e, segundo Hoch, deveria levar no máximo cerca de 5 milhões de anos. O sistema YSES-1, por sua vez, tem idade estimada em torno de 16.7 milhões de anos. Uma hipótese é que essa poeira rica em olivina seja detrito gerado por uma colisão entre objetos que orbitam nas proximidades do YSES-1b - o que implicaria que as observações foram feitas num momento especialmente oportuno na escala do tempo cósmico.

Surpresas, dúvidas e o papel de cientistas no início da carreira

Os dois achados impressionam, tanto pelo detalhe quanto pelo inusitado.

"We hoped to detect clouds in YSES-1c's atmosphere as its spectral type is theorized to have a cloudy atmosphere. But, when we saw the feature, it was wildly different from other silicate features seen in brown dwarfs," disse Hoch.

"We did NOT expect to see evidence for a disk around the inner planet YSES-1b. That was certainly a surprise."

Como acontece com as melhores observações em astrofísica, as respostas vêm acompanhadas de novas perguntas - e o sistema YSES-1 não foge à regra. O disco em torno do YSES-1b é uma questão central, mas há outras: o conhecimento atual sobre atmosferas de exoplanetas ainda é limitado, e também não está totalmente claro quanto tempo esses objetos levam para se formar. Estudos em curso, com observações diretas das atmosferas de outros exoplanetas, devem ajudar a preencher parte dessas lacunas.

"I also am excited about the result as this research was led by early career scientists. I was a graduate student when I proposed to use JWST to image this planetary system, and JWST had not launched yet and was not designed for looking at exoplanets," contou Hoch.

"The first five authors of the manuscript range from first year graduate student to postdoctoral fellow. I believe this highlights the need to support early career scientists, and that is a result most exciting for me."

A pesquisa foi publicada na Nature.