Respirando gás metano em um mundo distante

NASAde Telescópio Espacial James Webb Metano foi detectado na atmosfera Exoplaneta WASP-80 b, um marco na exploração espacial. A descoberta, confirmada por métodos avançados de análise de luz, lança luz sobre a composição do planeta e permite comparações com planetas do nosso sistema solar.

O Telescópio Espacial James Webb da NASA observou o exoplaneta WASP-80 b enquanto este passava em frente e atrás da sua estrela hospedeira, revelando espectros que indicam a presença de uma atmosfera contendo metano e vapor de água. Embora o vapor de água tenha sido detectado em mais de uma dúzia de planetas até agora, o metano, uma molécula abundante na atmosfera do planeta, não o foi até recentemente. Júpiter, Saturno, UranoE Netuno Dentro do nosso sistema solar – eles permaneceram indescritíveis nas atmosferas de exoplanetas em trânsito quando estudados por espectroscopia espacial.

Taylor Bell, do Bay Area Environmental Research Institute (BAERI), baseado no Ames Research Center da NASA no Vale do Silício, Califórnia, e Lewis Wilbanks, da Arizona State University, nos contam mais sobre a importância de detectar metano nas atmosferas externas dos exoplanetas, e discutir como isso facilitou as observações na detecção de metano na web em atmosferas de exoplanetas. Identificação desta molécula tão esperada. Esses resultados foram publicados recentemente na revista científica Nature.

Compreendendo o “Júpiter Quente” WASP-80 B

“Com uma temperatura de cerca de 825 K (cerca de 1.025 graus F), WASP-80 b é o que os cientistas chamam de “Júpiteres quentes”, planetas semelhantes em tamanho e massa a Júpiter no nosso sistema solar, mas cuja temperatura fica entre as dos Júpiteres quentes, como 1.450 graus Celsius. K (2.150 °F) HD 209458 b (o primeiro exoplaneta a ser descoberto), e Júpiteres frios, como o nosso, têm uma temperatura de cerca de 125 K (235 °F). WASP-80 b orbita sua estrela anã vermelha uma vez a cada três dias e está localizada a 163 anos-luz de distância de nós, na constelação do Abutre. Como o planeta está tão perto de sua estrela e ambos estão tão longe de nós, não podemos ver o planeta diretamente, mesmo com os telescópios mais avançados como o Webb. Em vez disso, os pesquisadores estudam a luz combinada da estrela e do planeta usando o método de trânsito (que tem sido usado para descobrir a maioria dos exoplanetas conhecidos) e o método do eclipse.

Tecnologias inovadoras de monitoramento

Utilizando o método de trânsito, observámos o sistema quando o planeta se movia em frente da sua estrela a partir da nossa perspectiva, fazendo com que a luz estelar que vemos diminuísse ligeiramente. É como se alguém passasse pela lâmpada e a luz diminuísse. Durante este tempo, a estrela ilumina um fino anel da atmosfera do planeta em torno da fronteira dia-noite do planeta, e em certas cores de luz onde as moléculas na atmosfera do planeta absorvem a luz, a atmosfera parece mais espessa e bloqueia mais luz estelar. Isto causa uma opacidade mais profunda em comparação com outros comprimentos de onda onde a atmosfera parece transparente. Este método ajuda cientistas como nós a compreender os componentes da atmosfera de um planeta, vendo quais cores de luz estão obscurecidas.

Entretanto, utilizando o método do eclipse, observámos o sistema à medida que o planeta passava por trás da sua estrela a partir da nossa perspectiva, causando outra ligeira diminuição na luz total que recebemos. Todos os objetos emitem alguma luz, chamada radiação térmica, e a intensidade e a cor da luz emitida dependem de quão quente o objeto está. Pouco antes e depois do eclipse, o lado diurno quente do planeta está apontado para nós e, ao medir a queda na luz durante o eclipse, fomos capazes de medir a luz infravermelha que emana do planeta. Para espectros de eclipses, a absorção por moléculas na atmosfera de um planeta normalmente aparece como uma diminuição na luz emitida pelo planeta em comprimentos de onda específicos. Além disso, como o planeta é muito menor e mais frio que a sua estrela hospedeira, a profundidade do eclipse é muito menor que a profundidade do trânsito.

Espectro de trânsito medido (parte superior) e espectro de eclipse (parte inferior) de WASP-80 b do modo de espectroscopia sem fenda do NIRCam no Telescópio Espacial James Webb da NASA. Em ambos os espectros, há evidências claras de absorção de água e metano, cujas contribuições são indicadas por linhas coloridas. Durante um trânsito, o planeta passa em frente da estrela e, no espectro de trânsito, a presença de partículas faz com que a atmosfera do planeta bloqueie mais luz em certas cores, causando um escurecimento mais profundo nesses comprimentos de onda. Durante um eclipse, o planeta passa atrás da estrela e, neste espectro de eclipse, as partículas absorvem parte da luz emitida pelo planeta em cores específicas, resultando em uma queda menor no brilho durante um eclipse do que durante um trânsito. Crédito da imagem: PAYRI/NASA/Taylor Bell

Análise de dados espectrais

Nossas observações iniciais tiveram que ser convertidas em algo que chamamos de espectro; Esta é basicamente uma medida que mostra quanta luz é bloqueada ou emitida pela atmosfera de um planeta com diferentes cores (ou comprimentos de onda) de luz. Existem muitas ferramentas diferentes para converter observações brutas em espectros úteis, por isso usamos dois métodos diferentes para garantir que nossos resultados fossem robustos a diferentes suposições. Em seguida, interpretamos esse espectro usando dois tipos de modelos para simular como seria a atmosfera do planeta sob essas condições extremas. O primeiro tipo de modelo é bastante flexível, experimentando milhões de combinações de metano, abundância de água e temperaturas para encontrar a combinação que melhor corresponda aos nossos dados. O segundo tipo, denominado “modelos autoconsistentes”, também explora milhões de combinações, mas utiliza o nosso conhecimento existente de física e química para determinar os níveis esperados de metano e água. Ambos os tipos de modelos chegam à mesma conclusão: eventual detecção de metano.

Para validar nossas descobertas, usamos métodos estatísticos robustos para avaliar a probabilidade de nossa descoberta ser ruído aleatório. Em nossa área, consideramos o “padrão ouro” a chamada “detecção 5 sigma”, o que significa que as chances de detecção resultante de ruído aleatório são de 1 em 1,7 milhão. Ao mesmo tempo, detectámos metano a 6,1 sigma tanto no espectro de trânsito como de eclipse, estabelecendo as probabilidades de uma falsa descoberta em cada observação em 1 em 942 milhões, excedendo o “padrão ouro” de 5 sigma e aumentando a nossa confiança em ambos. Descobertas.

Implicações para detecção de metano

Com esta descoberta confiante, não só encontrámos uma molécula indescritível, mas podemos agora começar a explorar o que esta estrutura química nos diz sobre o nascimento, o crescimento e a evolução do planeta. Por exemplo, medindo a quantidade de metano e água no planeta, podemos deduzir a proporção entre átomos de carbono e átomos de oxigênio. Espera-se que esta proporção mude dependendo de onde e quando os planetas se formam em seu sistema. Assim, examinar a proporção carbono-oxigénio pode fornecer pistas sobre se o planeta se formou perto ou longe da sua estrela antes de se mover gradualmente para dentro.

Outra coisa que nos empolgou com esta descoberta foi a oportunidade de finalmente comparar planetas fora do nosso sistema solar com planetas dentro dele. A NASA tem um histórico de envio de naves espaciais aos gigantes gasosos do nosso sistema solar para medir a quantidade de metano e outras moléculas na sua atmosfera. Agora, ao medir o mesmo gás num exoplaneta, podemos começar a fazer uma comparação “maçã com maçã” e ver se as previsões do sistema solar correspondem ao que vemos fora dele.

Perspectivas futuras com o Telescópio Espacial James Webb

Finalmente, enquanto aguardamos futuras descobertas com Webb, este resultado mostra-nos que estamos à beira de descobertas ainda mais emocionantes. Observações adicionais MIRI e NIRCam de WASP-80 b usando Webb nos permitirão explorar as propriedades da atmosfera em diferentes comprimentos de onda de luz. As nossas descobertas levam-nos a acreditar que seremos capazes de monitorizar outras moléculas ricas em carbono, como o monóxido de carbono e o dióxido de carbono, permitindo-nos traçar um quadro mais abrangente das condições prevalecentes na atmosfera deste planeta.

Além disso, quando encontrarmos metano e outros gases em exoplanetas, continuaremos a expandir o nosso conhecimento sobre como a química e a física funcionam em condições diferentes das da Terra e, talvez em breve, de outros planetas reminiscentes das que temos aqui. em casa. Uma coisa é certa: uma viagem de exploração com o Telescópio Espacial James Webb está cheia de potenciais surpresas.

Referência: “Metano em toda a atmosfera do exoplaneta quente WASP-80b” por Taylor J. Bell, Lewis Wilbanks, Everett Schloein, Michael R. Lane, Jonathan J. Fortney, Thomas B. Green, Kazumasa Ono, Vivian Parmentier, Emily Rauscher , Tomás J. . Beattie, Sajnik Mukherjee, Lindsay S. Weiser, Martha L. Boyer, Márcia J. Ricky e John A. Stansbury, 22 de novembro de 2023, natureza.
doi: 10.1038/s41586-023-06687-0

Sobre os autores:

• Taylor Bell é pesquisador de pós-doutorado no Bay Area Environmental Research Institute (BAERI), trabalhando no NASA Ames Research Center no Vale do Silício, Califórnia.
• Lewis Wilbanks é NASA Hubble Fellow na Arizona State University em Tempe, Arizona.