Telescópio James Webb da NASA deteta metano na atmosfera de TOI-199b

A maioria das atmosferas de exoplanetas analisadas pelo Telescópio Espacial James Webb, da NASA, pertence a mundos onde o ferro se evapora.

Ao longo do tempo, os Júpiteres quentes - planetas gigantes que completam uma órbita em torno das suas estrelas em poucos dias - foram bem estudados, e a sua composição química geral é conhecida.

Já os planetas gigantes mais distantes, que demoram centenas de dias a completar uma órbita e seguem trajetórias mais frias e tranquilas, continuam a ser quase inteiramente desconhecidos.

Os modelos apresentavam previsões para esta categoria ainda por explorar. Uma delas indicava que, se fosse possível espreitar o interior destes planetas, se encontraria metano.

Saber se os modelos estavam certos era, até agora, uma questão completamente diferente.

TOI-199b: um planeta entre extremos

O planeta em causa chama-se TOI-199b. Tem aproximadamente o tamanho de Saturno, mas apenas uma fração da sua massa, e orbita uma estrela semelhante ao Sol, situada a mais de 330 anos-luz.

Cada volta completa demora cerca de cem dias.

As propriedades fundamentais de TOI-199b já tinham sido medidas e registadas num artigo anterior.

O estudo agora realizado foi liderado por Renyu Hu, professor associado da Penn State (PSU).

Com uma temperatura próxima dos 79 °C, o planeta é muito mais frio do que os mundos com temperaturas na ordem dos 540 °C que dominam a maioria dos estudos sobre exoplanetas.

Conhece-se apenas um pequeno número destes mundos temperados, e este é o primeiro cuja atmosfera foi analisada em detalhe.

Ler a luz através da atmosfera

Determinar a composição da atmosfera de um exoplaneta exige paciência.

Os astrónomos aguardam que o planeta passe à frente da sua estrela e observam depois a luz estelar a atravessar as camadas exteriores da atmosfera.

Os gases presentes absorvem determinados comprimentos de onda, deixando uma assinatura na luz que chega ao telescópio.

A técnica tem um nome científico - espectroscopia de transmissão -, mas assenta numa ideia simples.

Os instrumentos do Webb decompõem a luz recebida nas suas cores, um comprimento de onda de cada vez. Pequenas quedas no espectro revelam as moléculas presentes.

Uma observação paciente

O próprio trânsito durou cerca de sete horas, muito mais do que as passagens rápidas dos Júpiteres quentes, que podem terminar em menos de uma hora.

Durante todo o processo, o Webb observou a estrela durante quase 20 horas consecutivas, estabelecendo uma referência clara da sua luz quando o planeta não estava à frente.

A comparação entre os dois registos revelou precisamente que cores tinham sido absorvidas pelo planeta.

Aaron Bello-Arufe, investigador de pós-doutoramento no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (JPL), foi o primeiro autor do estudo.

O que revelou o espectro

Depois de alinhados os dois registos, destacou-se um padrão de absorção: o do metano.

A atmosfera tinha absorvido exatamente os comprimentos de onda que se sabe serem absorvidos por esse gás - uma assinatura que nenhuma outra molécula comum reproduz nessas cores.

“Quando comparámos os espectros obtidos durante o trânsito com a referência, vimos que a atmosfera bloqueava os comprimentos de onda da luz estelar absorvidos pelo metano”, afirmou Bello-Arufe.

Os modelos previam este resultado para gigantes gasosos temperados há muito tempo.

Até este estudo, porém, ninguém tinha observado diretamente essa correspondência num planeta deste tipo. A confirmação dá aos investigadores que desenvolvem modelos uma oportunidade de os testar num planeta real, numa gama de temperaturas que nunca tinham estudado desta forma.

Pistas químicas para além do metano

Os dados revelaram também um sinal mais pequeno e menos seguro noutra região do espectro.

Segundo os modelos da equipa, esse sinal poderá indicar a presença de amoníaco ou, eventualmente, de outro composto que contenha azoto.

Ambas as moléculas interessam aos especialistas em química planetária, pois as suas concentrações relativas poderão revelar quanta circulação existe entre o interior profundo e as camadas superiores mais frias da atmosfera.

Serão necessários mais dados para esclarecer essa relação. Surgiram igualmente indícios ténues de dióxido de carbono.

Nenhum destes sinais secundários tem o mesmo grau de certeza que a deteção de metano, e esclarecê-los exigirá mais tempo de observação com o Webb.

Uma semelhança com o Sistema Solar

O que foi encontrado em torno de TOI-199b apresenta uma semelhança distante com as atmosferas de Saturno e Júpiter, onde o metano e o amoníaco são componentes conhecidos.

O Webb já tinha detetado metano num mundo mais pequeno e mais frio, chamado K2-18b. Esse estudo anterior atraiu grande atenção por o planeta se encontrar na zona habitável da sua estrela.

Este padrão sugere que o metano surge de forma consistente nas atmosferas de mundos temperados com atmosferas leves e ricas em hidrogénio.

Era algo de que os investigadores suspeitavam há anos, mas que não conseguiam confirmar sem instrumentos com esta sensibilidade.

São necessárias mais observações

A observação não foi perfeita. Um desalinhamento na orientação do telescópio reduziu a precisão do espectro face ao que a equipa tinha inicialmente planeado.

Ainda assim, o sinal do metano destacou-se com clareza.

Os investigadores testaram também a possibilidade de a atmosfera conter neblinas - partículas em suspensão capazes de atenuar alguns sinais de absorção -, recorrendo a modelos baseados na química de Titã, lua de Saturno.

A preferência pelos modelos com neblina em relação a uma atmosfera límpida foi pouco expressiva. Será necessária uma observação mais prolongada para determinar se TOI-199b tem realmente nuvens ou neblinas.

Caminhos para investigação futura

Durante décadas, a química dos planetas gigantes que não são extremamente quentes nem tão frios como os do Sistema Solar permaneceu uma zona em branco no mapa.

A equipa de Hu acrescentou um primeiro ponto de dados a essa área desconhecida.

A atmosfera de um gigante gasoso temperado contém metano em quantidades aproximadamente iguais às previstas pelos modelos.

Isto indica aos investigadores que a química em que os modelos assentam resiste ao teste num planeta real desta gama de temperaturas.

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

Daí deverá resultar uma visão mais clara de como a própria atmosfera da Terra se insere no contexto mais vasto da química planetária.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech