TOI-199b: Telescópio Espacial James Webb detecta metano em um gigante gasoso temperado

A maioria das atmosferas de exoplanetas que o Telescópio Espacial James Webb, da NASA, já analisou pertence a mundos tão escaldantes que até ferro consegue evaporar.

Com o tempo, os Júpiteres quentes - planetas gigantes que completam uma volta em torno da estrela em poucos dias - tornaram-se alvos bem cartografados, com uma visão ampla da sua química já relativamente consolidada.

Já os gigantes gasosos mais distantes, que orbitam em trajetórias mais frias e tranquilas e levam perto de cem dias para dar a volta, continuam sendo um território quase desconhecido.

Antes de haver dados, os modelos tentavam preencher esse vazio. Uma dessas previsões dizia que, ao “espiar” a atmosfera desses gigantes temperados, o metano deveria aparecer.

Se os modelos acertavam, porém, era outra história - até agora.

Um planeta entre extremos

O planeta em questão é o TOI-199b. Ele tem dimensões próximas às de Saturno, mas apenas uma fração da sua massa, e gira ao redor de uma estrela semelhante ao Sol a mais de 330 anos-luz de distância.

Cada órbita completa leva aproximadamente 100 dias.

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

O novo trabalho foi liderado por Renyu Hu, professor associado da Penn State (PSU).

Com cerca de 79 °C (aproximadamente 175 °F), o TOI-199b é bem mais frio do que os mundos com temperaturas na casa dos milhares de graus que dominam grande parte dos estudos de exoplanetas.

Apenas poucos planetas temperados desse tipo são conhecidos, e este é o primeiro a ter a sua atmosfera decomposta em detalhe.

Lendo a luz através do ar

Descobrir do que é feita a atmosfera de um exoplaneta exige tempo e persistência.

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

Alguns comprimentos de onda são absorvidos pelos gases no caminho, deixando uma marca - uma espécie de “impressão digital” - na luz que 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 em cores (isto é, em comprimentos de onda) e, ao observar pequenas quedas no espectro, os cientistas identificam quais moléculas estão presentes.

Uma observação paciente

O trânsito do TOI-199b durou cerca de sete horas, um intervalo muito maior do que as passagens rápidas dos Júpiteres quentes, que às vezes terminam em menos de uma hora.

Além disso, o Webb permaneceu apontado para a estrela por quase 20 horas consecutivas para construir uma linha de base limpa - o retrato de como era a luz estelar quando o planeta não estava na frente.

Ao comparar esses dois registos, ficou claro 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 mostrou

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

A atmosfera do planeta absorveu exatamente os comprimentos de onda nos quais esse gás é conhecido por absorver - uma assinatura que, nessas “cores”, não é reproduzida por outras moléculas comuns.

“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”, afirmou Bello-Arufe.

Há muito tempo, modelos previam esse resultado para gigantes gasosos temperados.

Até este estudo, ninguém tinha observado essa correspondência de forma direta num planeta desse tipo. A confirmação oferece aos modeladores um teste no mundo real numa faixa de temperatura que ainda não tinha sido amostrada.

Pistas químicas além do metano

Os dados também exibiram um sinal menor e mais incerto em outra região do espectro.

De acordo com os modelos da equipa, essa feição pode apontar para amónia ou talvez outro composto contendo nitrogénio.

Essas moléculas chamam a atenção de químicos planetários porque as suas abundâncias relativas podem indicar o quanto há de troca e circulação entre o interior profundo e a atmosfera superior, mais fria.

Para confirmar essa ligação, serão necessárias novas medições. Também surgiram indícios fracos de dióxido de carbono.

Nenhum desses sinais secundários tem o mesmo peso da detecção de metano, e separar definitivamente essas contribuições exigirá mais tempo de observação com o Webb.

Um eco de casa

O que apareceu ao redor do TOI-199b lembra, ainda que de longe, as atmosferas de Saturno e Júpiter, onde metano e amónia são componentes bem conhecidos.

O Webb também já identificou metano num mundo menor e mais frio, o K2-18b, num estudo anterior que atraiu ampla atenção por esse planeta estar na zona habitável da sua estrela.

Esse conjunto de resultados sugere que o metano surge de forma consistente em atmosferas de mundos temperados com ar leve e rico em hidrogénio.

Era uma hipótese antiga na área, mas que não podia ser confirmada sem instrumentos com este nível de sensibilidade.

São necessárias mais observações

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

Mesmo assim, o sinal de metano apareceu com força.

Os pesquisadores também avaliaram se a atmosfera poderia conter névoas - partículas em suspensão capazes de suavizar algumas feições de absorção - usando modelos inspirados na química de Titã, a lua de Saturno.

A preferência pelos modelos com névoa, em comparação com uma atmosfera limpa, foi fraca. Determinar se o TOI-199b de facto tem nuvens ou névoas vai exigir uma análise mais longa.

Direções para pesquisas futuras

Durante décadas, a química de planetas gigantes que não são nem extremamente quentes nem tão frios quanto os do Sistema Solar permaneceu como uma área em branco.

A equipa de Hu adicionou agora um ponto de dados a esse mapa.

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

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

Com mais tempo de Webb, o grupo poderá determinar com maior precisão as proporções de metano, amónia e dióxido de carbono no TOI-199b e compará-las com as de outros gigantes temperados.

Dessa forma, deve emergir um quadro mais nítido de como a própria atmosfera da Terra se encaixa numa história mais ampla da química planetária.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech