O telescópio espacial James Webb (JWST) desempenha um papel crucial ao permitir medir a emissão térmica desses planetas temperados. Uma primeira campanha de observação em λ=15 µm havia revelado uma temperatura de 503 K no lado diurno do planeta TRAPPIST-1 b, sugerindo a ausência de atmosfera e uma superfície muito escura.
No entanto, com base nas observações de uma segunda campanha em λ=12,8 µm, este novo estudo conduzido pelo Departamento de Astrofísica do IRFU do CEA Paris-Saclay mediu uma temperatura muito mais baixa do que a esperada pelo cenário anterior, forçando os pesquisadores a explorar novas possibilidades.
Figura 1 - Ilustração artística de TRAPPIST-1 b pouco antes de passar atrás da estrela anã vermelha e fria TRAPPIST-1.
Essas estrelas são conhecidas por sua atividade, com grandes manchas estelares e erupções que podem contaminar as medições.
Crédito: Thomas Müller (HdA/MPIA)
Entre as hipóteses consideradas, uma atmosfera rica em CO? e em névoas é uma possibilidade, embora um cenário de superfície ultramáfica vulcânica pareça mais provável. Para resolver esse mistério, uma nova fase de observações foi iniciada, visando acompanhar o fluxo luminoso do planeta ao longo de sua órbita.
Este resultado foi publicado na prestigiosa revista Nature Astronomy: "Combined analysis of the 12.8 and 15 μm JWST/MIRI eclipse observations of TRAPPIST-1 b"
TRAPPIST-1: um laboratório ideal para estudar as atmosferas dos planetas rochosos
O sistema TRAPPIST-1 se destaca por sua estrela anã ultrafria cercada por sete planetas rochosos de tamanho terrestre, dos quais três estão localizados na zona habitável, oferecendo assim uma oportunidade científica excepcional para o estudo de exoplanetas e atmosferas. Este sistema constitui, portanto, um alvo privilegiado para o telescópio espacial James Webb (JWST), cujas capacidades espectroscópicas no infravermelho permitem estudar em detalhes esse tipo de planeta.
Em particular, o JWST é capaz de medir diretamente o calor emitido por um planeta, comparando o fluxo luminoso da estrela durante uma ocultação - momento em que o planeta passa atrás da estrela - ao fluxo observado logo antes e depois desse evento (cf. Figura 2). Este método permite deduzir a luz infravermelha emitida pelo lado iluminado (lado diurno) do planeta, evitando contaminações estelares que podem complicar as medições em outras configurações, como os trânsitos.
Figura 2 - Ao comparar o fluxo luminoso da estrela sozinha quando o planeta está ocultado (atrás da estrela) com o fluxo observado logo antes ou depois da ocultação, é possível deduzir a emissão térmica do lado diurno do planeta, evitando contaminações estelares presentes em outras configurações (por exemplo, os trânsitos).
Crédito: Ducrot et al. 2024
"A emissão térmica rapidamente se tornou o método preferido para estudar exoplanetas rochosos ao redor de estrelas anãs M durante os dois primeiros anos do JWST", explica Pierre-Olivier Lagage, coautor principal do estudo e diretor do Departamento de Astrofísica do CEA. "No caso dos planetas de TRAPPIST-1, as primeiras informações vêm das medições de emissão, pois ainda é difícil distinguir os sinais atmosféricos e estelares durante os trânsitos."
Duas campanhas de observação com o JWST foram realizadas para estudar o planeta TRAPPIST-1 b, pois, sendo o mais próximo da estrela hospedeira, ele emite mais infravermelho do que os outros planetas do sistema. Essas observações foram realizadas com o imageador MIRIm, desenvolvido no CEA Paris-Saclay, utilizando filtros cuidadosamente escolhidos para detectar a presença de dióxido de carbono (CO?) e medir sua concentração.
A primeira campanha, realizada em 2023 por uma equipe da NASA em colaboração com o Departamento de Astrofísica do IRFU no CEA Paris-Saclay, utilizou um filtro centrado em λ=15 µm. Essas observações permitiram determinar que o lado diurno de TRAPPIST-1 b apresenta uma temperatura de cerca de 503 K (+/- 26 K), marcando assim a primeira medição direta da temperatura de um planeta rochoso temperado na história do estudo de exoplanetas.
Com uma temperatura tão alta, os cientistas sugeriram que TRAPPIST-1 b teria uma "superfície nua e escura", onde o planeta não possuiria atmosfera, e sua superfície absorveria quase toda a luz estelar incidente (Greene et al., 2023). Essa hipótese se baseia no fato de que o CO? absorve fortemente nesse comprimento de onda; uma atmosfera rica em CO? teria, portanto, reduzido consideravelmente o fluxo observado. No entanto, uma única medição em um comprimento de onda não é suficiente para excluir todos os cenários atmosféricos possíveis.
Figura 3 - Comparação dos diferentes cenários de superfície nua e atmosféricos para o planeta TRAPPIST-1 b, com o caso da Terra. A emissão térmica medida em 12,8 (vermelho escuro) e 15 micrômetros (vermelho claro) permite discriminar esses cenários.
O primeiro esquema (extrema esquerda) ilustra o cenário de "superfície nua e escura", sugerido durante o primeiro estudo com a medição em 15 micrômetros apenas. Este novo estudo questiona esse cenário e propõe duas novas hipóteses: o cenário "superfície nua ultramáfica" e o cenário "atmosfera rica em névoas de CO?".
Crédito: Ducrot et al. 2024
Superfície nua ou atmosfera complexa?
Este novo estudo, conduzido por uma equipe do CEA Paris-Saclay, complementa as observações anteriores ao medir desta vez o fluxo de TRAPPIST-1 b em 12,8 micrômetros, uma segunda banda de absorção característica do CO?. Enquanto o cenário inicial de "superfície escura nua" proposto por Greene et al. (2023) previa uma temperatura de cerca de 227 °C nesse comprimento de onda, os pesquisadores mediram uma temperatura significativamente mais baixa, de 150 °C. Esse resultado invalida o cenário anterior, baseado nas observações em 15 micrômetros, forçando os pesquisadores a explorar outros modelos de superfície e atmosfera. Dois novos cenários parecem emergir (cf. figura 3):
- Cenário "superfície nua ultramáfica": TRAPPIST-1 b estaria desprovida de atmosfera, mas sua superfície seria composta de rochas ultramáficas, rochas vulcânicas ricas em minerais que emitem menos luz em 12,8 micrômetros do que uma superfície escura clássica. Esse resultado sugere a possível existência de vulcanismo, pois sem esse processo criando novas rochas, as rochas seriam rapidamente alteradas e escurecidas pela atividade da estrela.
- Cenário "atmosfera rica em névoas de CO2": TRAPPIST-1 b possuiria uma atmosfera rica em CO? com espessas névoas, formadas por minúsculas partículas ou gotículas resultantes de reações químicas ligadas à atividade vulcânica ou à radiação solar. Essas névoas absorveriam a luz estelar e causariam um aquecimento das camadas superiores da atmosfera, criando uma inversão térmica onde a temperatura aumenta com a altitude. Esse fenômeno, semelhante ao da estratosfera terrestre - embora aqui relacionado ao CO? e não ao ozônio - explicaria uma emissão mais alta em 15 micrômetros em comparação com 12,8 micrômetros, um comportamento inesperado em relação ao CO? observado na Terra ou em Vênus.
Embora as névoas já sejam conhecidas por influenciar a temperatura e a aparência atmosférica, como em Titã, seu impacto em TRAPPIST-1 b permanece surpreendente. No entanto, os autores consideram que o cenário "superfície nua ultramáfica" é mais provável, devido à complexidade e às incertezas associadas à formação de tais névoas.
"Ficamos surpresos ao medir uma temperatura significativamente mais baixa do que o esperado. Pensávamos que o caso de TRAPPIST-1 b estava encerrado, mas este novo comprimento de onda nos lembra todas as ambiguidades que existem para descrever um planeta a partir de observações discretas." destaca Elsa Ducrot, pesquisadora do Departamento de Astrofísica do CEA e autora principal deste estudo. "Além disso, essa medição estimulou nossa curiosidade e nos permitiu propor um cenário atmosférico com névoas inéditas em acordo com os dados. Embora pareça menos provável, é muito interessante que a comunidade científica possa levá-lo em consideração na interpretação das futuras observações de exoplanetas rochosos."
Como resolver o mistério?
Este novo estudo destaca os desafios colocados pela determinação definitiva da presença de uma atmosfera em um planeta com base apenas nas medições de emissão térmica durante as ocultações. Para resolver definitivamente o mistério da presença de uma atmosfera em TRAPPIST-1 b, os pesquisadores iniciaram uma nova campanha de observação com o JWST visando medir o fluxo do planeta ao longo de sua órbita completa, e não apenas seu lado diurno (cf. figura 4).
Figura 4 - Ilustração da curva de fase: evolução do fluxo luminoso do sistema estrela-planeta ao longo de uma órbita completa.
- A posição (a) corresponde ao trânsito: O planeta passa na frente da estrela. O fluxo medido corresponde à luz da estrela diminuída pela absorção devido ao disco planetário e sua possível atmosfera. Essa configuração permite sondar a emissão do lado noturno do planeta.
- A posição (c) corresponde à ocultação (ou eclipse secundário): O planeta está escondido atrás da estrela. O telescópio capta então apenas o fluxo luminoso da estrela, o que permite isolar e subtrair sua contribuição.
- Finalmente, a posição (b) é logo antes e depois da ocultação. A intensidade medida é máxima: o fluxo luminoso do planeta se soma ao da estrela.
Complementada por simulações atmosféricas 3D complexas, esse método, embora custoso em tempo de observação, é essencial para determinar a existência ou ausência de uma atmosfera ao redor de TRAPPIST-1 b.
"Se uma atmosfera estiver presente, o calor será redistribuído do lado diurno para o lado noturno do planeta. Sem atmosfera, essa redistribuição será mínima", explica Michaël Gillon da Universidade de Liège, coautor deste estudo.
Essas respostas podem inaugurar uma nova era no estudo das atmosferas dos exoplanetas rochosos.