O Telescópio Espacial James Webb da NASA detecta metano na atmosfera de TOI-199b

A maioria das atmosferas de exoplanetas analisadas pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA pertence a mundos tão quentes que até o ferro evapora.

Ao longo do tempo, os Júpiteres quentes - planetas gigantes que dão a volta às suas estrelas em poucos dias - foram sendo cartografados com detalhe, e a sua química geral é hoje relativamente bem compreendida.

Já os gigantes gasosos mais afastados, que orbitam em trajectórias mais frescas e calmas com períodos na ordem das centenas de dias, continuam praticamente por conhecer.

Os modelos teóricos tinham previsões para esse território inexplorado. Uma delas defendia que, se fosse possível “ver” o interior químico dessas atmosferas, o metano deveria estar presente.

Saber se os modelos acertavam era outra história - até agora.

Um planeta entre extremos

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

Uma volta completa demora cerca de cem dias.

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

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

Com cerca de 175 graus Fahrenheit, o planeta é muito mais frio do que os mundos de mil graus que dominam a maioria dos estudos de exoplanetas.

Só existe um pequeno número destes mundos temperados identificado até hoje - e este é o primeiro cujo ar foi decomposto em detalhe.

Ler a luz ao atravessar a atmosfera

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

Os astrónomos aguardam que o planeta passe em frente da sua estrela e, nesse momento, observam a forma como a luz estelar atravessa as camadas externas da atmosfera.

Alguns comprimentos de onda são absorvidos pelos gases presentes, deixando uma “impressão digital” na luz que chega ao telescópio.

A técnica tem um nome preciso - espectroscopia de transmissão - mas o princípio é directo.

Os instrumentos do Webb separam a luz recebida nas suas cores constituintes, comprimento de onda a comprimento de onda. Pequenas quedas no espectro revelam quais as moléculas existentes.

Uma observação demorada

O trânsito durou cerca de sete horas, muito mais do que as passagens rápidas dos Júpiteres quentes, que por vezes terminam em menos de uma hora.

Para além disso, o Webb manteve-se apontado para a estrela durante quase 20 horas seguidas, construindo uma referência limpa de como era a sua luz sem o planeta no caminho.

Ao comparar os dois registos, tornou-se possível ver exactamente que “cores” o planeta absorveu de forma discreta.

Aaron Bello-Arufe, investigador de pós-doutoramento no Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA, foi o primeiro autor do estudo.

O que o espectro revelou

Depois de alinhar os dois registos, destacou-se um padrão de absorção: metano.

A atmosfera absorveu os comprimentos de onda específicos que se sabe serem absorvidos por esse gás - uma assinatura que nenhuma outra molécula comum reproduz nesses comprimentos de onda.

“Quando comparamos os espectros durante o trânsito com a linha de base, vimos que a atmosfera bloqueou os comprimentos de onda da luz da estrela que são absorvidos pelo metano”, disse Bello-Arufe.

Há muito que os modelos apontavam para esse resultado no caso de gigantes gasosos temperados.

Até este trabalho, ninguém tinha observado de forma directa essa correspondência num planeta deste tipo. A confirmação oferece aos modeladores um teste no mundo real num intervalo de temperaturas que ainda não tinham conseguido amostrar.

Pistas químicas para além do metano

Os dados mostraram também uma característica mais pequena e menos segura noutra região do espectro.

Os modelos da equipa indicam que poderá ser amónia ou, em alternativa, outro composto com azoto.

Ambas as moléculas interessam aos químicos planetários, porque as suas concentrações relativas podem indicar quanta circulação existe entre o interior profundo e as camadas superiores mais frias da atmosfera.

Para clarificar essa ligação serão necessários mais dados. Surgiram também indícios ténues de dióxido de carbono.

Nenhum destes sinais secundários tem a mesma robustez da detecção de metano, e a sua interpretação exigirá mais tempo de observação com o Webb.

Um eco do que conhecemos em casa

O que foi encontrado em TOI-199b lembra, de longe, as atmosferas de Saturno e Júpiter, onde metano e amónia são componentes familiares.

O metano também já tinha sido identificado pelo Webb num mundo mais pequeno e mais frio, K2-18b, num estudo anterior que atraiu grande atenção por esse planeta se encontrar na zona habitável da sua estrela.

Este padrão sugere que o metano surge de forma consistente em atmosferas de mundos temperados com ar leve e rico em hidrogénio.

Era algo que o campo suspeitava há anos, mas que não conseguia confirmar sem instrumentos com esta sensibilidade.

São necessárias mais observações

A observação não foi perfeita. Um desalinhamento de apontamento reduziu a precisão do espectro abaixo do que a equipa tinha planeado inicialmente.

Ainda assim, o sinal de metano apareceu com força.

Os investigadores testaram também se a atmosfera poderia conter brumas - partículas suspensas que podem esbater algumas características de absorção - recorrendo a modelos baseados na química de Titã, a lua de Saturno.

A preferência por modelos com bruma, em comparação com uma atmosfera limpa, foi fraca. Determinar se TOI-199b tem realmente nuvens ou brumas exigirá uma observação mais prolongada.

Direcções para investigação futura

Durante décadas, a química de planetas gigantes que não são nem escaldantes nem tão frios como os do Sistema Solar foi um vazio no mapa.

A equipa de Hu preencheu agora um único ponto de dados nessa lacuna.

O metano está presente na atmosfera de um gigante gasoso temperado em quantidades próximas das previstas pelos modelos.

Isto indica aos investigadores que a química subjacente se mantém quando é confrontada com um planeta real neste intervalo de temperaturas.

Com mais tempo de Webb, a equipa poderá fixar as quantidades relativas de metano, amónia e dióxido de carbono em TOI-199b e compará-las com as de outros gigantes temperados.

Deverá então emergir uma imagem mais nítida de como a atmosfera da própria Terra se encaixa na história mais ampla da química planetária.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech