Como o James Webb desvendará os exoplanetas mais misteriosos que conhecemos

Os chamados subnetunos — exoplanetas maiores que a Terra e menores que Netuno, que orbitam suas estrelas mais próximos que Mercúrio em relação ao Sol — são o tipo mais comum encontrado na Via Láctea. Mas de que eles são feitos? Como são por dentro? E por que não há nenhum deles no Sistema Solar? Essas perguntas são muito difíceis de responder, mas os astrônomos esperam que o telescópio espacial James Webb ajude na tarefa.

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Não é fácil medir propriedades básicas desses mundos, como tamanho, massa e órbita, por isso os astrônomos ainda não sabem ao certo se o interior deles é feito de rocha e ferro ou de camadas cada vez mais densas de hidrogênio e gás hélio à medida que se avança em direção ao núcleo. Também pode haver uma mistura menos densa de rocha e gelo, rodeadas por atmosferas úmidas e ricas em água. Não sabemos porque os instrumentos atuais não conseguem capturar um espectro de luz nítido o suficiente.

Os espectros de luz são fundamentais para estudar qualquer objeto no universo. Eles são como “impressões digitais” dos corpos cósmicos, e cada elemento químico tem sua própria marca na emissão de luz. No caso dos exoplanetas, os astrônomos obtém esse espectro quando esses mundos passam na frente de suas estrelas anfitriãs. Quando isso acontece, a luz que atravessa a atmosfera do planeta é alterada e adquire um espectro muito específico.

Ao analisar o espectro, que aparece nos dados científicos nas formas de linhas com picos e vales, os cientistas podem dizer quais elementos químicos estão presentes naquela atmosfera. Mas os subnetunos são complicados, pois, ao que parece, as partículas e gotículas que formam suas nuvens ou névoas espalham a luz de suas estrelas. Isso resulta em ondulações sutis que “corroem” os picos espectrais. Em outras palavras, o espectro coletado pelos telescópios se torna praticamente inútil na análise da atmosfera.

Com o James Webb, no entanto, os cientistas esperam coletar linhas espectrais muito mais nítidas e virar este jogo. Para isso, eles propuseram dois programas de observação para o primeiro ano de operações do telescópio. A ideia é sondar dois subnetunos: GJ 1214 b e TOI-421 b.

O primeiro deles é considerado pela NASA o “arquétipo” dos sub-Netuno, pois possui todas as características típicas: é quente, orbita uma estrela anã vermelha bem de perto e foi o alvo de dezenas de estudos. Tem período orbital curto mas está relativamente próximo da Terra — apenas 48 anos-luz de distância. Isso o tornou um dos mais observados da nossa galáxia. Ainda assim, é descrito como “o exoplaneta mais misterioso que conhecemos”.

Para investigá-lo, os proponentes do estudo usarão o instrumento infravermelho médio do James Webb durante quase 50 horas, continuamente, tempo em que o planeta completa um pouco mais de uma órbita. Eles então analisarão os dados de três maneiras diferentes — espectroscopia de transmissão, espectroscopia de emissão térmica e mapeamento de curva de temperatura de fase — para restringir as possíveis combinações de gases e aerossóis (as tais gotículas que espalham a luz) que compõem a atmosfera do GJ 1214 b.

Já o exoplaneta TOI-421 b é semelhante em tamanho e densidade ao GJ 1214 b, mas é considerado quente demais para a existência de uma névoa na atmosfera. Isso significa que ele pode ter um clima limpo, livre de aerossóis que espalham a luz de sua estrela, o que facilitaria bastante o trabalho do James Webb em coletar as linhas espectrais. O telescópio o observará duas vezes conforme ele passa em frente à sua estrela, uma vez usando os instrumentos Near-Infrared Imager e Slitless Spectrograph (NIRISS) e depois novamente com o NIRSpec.

O objetivo dessa observação é produzir um espectro completo de transmissão no comprimento de onda do infravermelho próximo. Se a atmosfera do TOI-421 b estiver mesmo limpa, o espectro pode ser usado para medir a quantidade de moléculas de elementos como água, metano e dióxido de carbono. Se houver um problema com os aerossóis, a equipe usará os dados para entender melhor do que eles são feitos e como eles conseguem resistir às temperaturas tão altas.

Ambas as observações serão conduzidas como parte do programa Cycle 1 General Observers, que garante aos pesquisadores cujas propostas foram aprovadas um determinado tempo de uso do telescópio James Webb. Os astrônomos que conduzirão o estudo são Jacob Bean, da Universidade de Chicago, e Eliza Kempton, da Universidade de Maryland.

Fonte: NASA