James Webb examina uma anã castanha vizinha que tem nuvens de areia

Nos seus primeiros meses de operação, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) já está a provar que valeu a pena esperar!

Até ao momento, já forneceu aos astrónomos as imagens mais detalhadas e precisas do cosmos, realizou observações de galáxias e nebulosas icónicas e obteve espectros de exoplanetas distantes.

Estas imagens resultantes, tornadas públicas através do programa JWST Early Release Science (ERS), forneceram uma boa secção transversal do que este observatório de próxima geração pode fazer.

Entre os seus muitos objetivos, o JWST fornecerá informações valiosas sobre a formação e evolução de sistemas de exoplanetas através de imagens diretas. Usando dados do ERS, uma equipa internacional de astrónomos e astrofísicos realizou um estudo de imagem direta de uma anã castanha companheira (VHS 1256-1257 b) orbitando dentro de um sistema triplo de anãs castanhas a aproximadamente 69,0 anos-luz de distância.

Os espetros que obtiveram deste corpo forneceram uma composição detalhada da sua atmosfera, que incluiu uma descoberta inesperada – nuvens feitas de minerais de silicato (também conhecidos como areia)!

A pesquisa foi conduzida pelo JWST Early Release Science Program for Direct Observations of Exoplanetary Systems (a equipa ERS 1386, abreviada), liderada pela Universidade da Califórnia em Santa Cruz (UCSC).

O artigo que descreve as suas descobertas é o segundo de uma série que examina observações diretas de exoplanetas conduzidas pelo Webb, ambas atualmente em revisão. O primeiro artigo examinou os dados do ERS no exoplaneta HIP 65426 b, um super Júpiter que Webb observou nos comprimentos de onda do infravermelho próximo e médio.

A colaboração ERS 1386 compreende 120 astrónomos de mais de 100 institutos e universidades em todo o mundo e é dedicada a imagens diretas de sistemas de exoplanetas na faixa de infravermelhos médios.

Isso incluirá a obtenção de espetros de atmosferas de exoplanetas para determinar a habitabilidade e examinar discos de detritos circunstelares para aprender mais sobre a formação de planetas.

Como a equipa declarou durante o Congresso Europeu de Ciências Planetárias de 2018, “a Humanidade nunca observou sistemas exoplanetários nesses comprimentos de onda, e as nossas observações serão transformadoras para se entender as químicas e composições desses mundos distantes”.

Do ponto de vista técnico, o Early Release Program do programa foi projetado para avaliar o desempenho dos modos de observação do JWST que permitem tirar imagens diretas de exoplanetas, companheiros de massa planetária e os discos circunstelares que os formam.

Isso inclui os modos coronagráficos na Near-Infrared Camera (NIRCam) e Mid-Infrared Instrument (MIRI) (que bloqueia a luz das estrelas, para que os exoplanetas sejam visíveis) e o modo de interferometria de mascaramento de abertura Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (NIRSpec) (que combina luz de fontes díspares para criar imagens).

Dr. Aarynn Carter, bolseiro de pós-doutoramento na UCSC e membro da ERS 1386, foi o principal autor do primeiro artigo da colaboração. Como explicou ao Universe Today por e-mail, as observações de Webb do HIP 65426 b demonstraram efetivamente as capacidades de imagem direta do observatório:

“Essas observações demonstraram que o JWST é capaz de obter medições precisas do fluxo de exoplanetas em todo o infravermelho próximo a médio. Essas medições permitem-nos obter uma restrição precisa da energia total emitida, ou luminosidade, do HIP 65426b”.

“Em comparação com os modelos de evolução planetária, isso, por sua vez, deu-nos restrições muito precisas nas suas propriedades de massa, como temperatura, massa e raio. Com trabalhos futuros, podemos começar a entender o que essas observações significam para as propriedades atmosféricas do HIP 65426 b.”

Para o seu estudo mais recente, a equipa consultou dados obtidos pelo MIRI e NIRSpec de Webb do VHS 1256 b, uma anã castanha companheira com mais de vinte vezes a massa de Júpiter que orbita a uma distância de cerca de 150 UA.

Essas observações foram realizadas a 5 de julho de 2022, por mais de duas horas e em comprimentos de onda que variam de 1 a 20 micrómetros. Os espetros obtidos forneceram informações detalhadas sobre a composição atmosférica do VHS 1256 b e em comprimentos de onda nunca antes vistos numa anã castanha.

A Dra. Britanny E. Miles, bolseira de pós-doutoramento presidencial da UC na UC Irvine e membro da ERS 1386 Collaboration, foi a principal autora do segundo artigo. Como disse ao Universe Today por e-mail:

“O infravermelho próximo e o infravermelho médio mostram características de metano, monóxido de carbono, sódio, potássio e água. Há evidências de dióxido de carbono. Todas essas características foram observadas antes em anãs castanhas desta temperatura. No entanto, nunca vimos monóxido de carbono com tantos detalhes em 5 mícrons”.

“Isso dá-nos a oportunidade em estudos futuros de entender quanto carbono e oxigénio há no objeto geral, o que dá uma pista de quão “rico em metal” ele é comparado com a sua estrela hospedeira. A composição de uma anã castanha pode fornecer informações sobre como o objeto pode ter-se formado.”

Miles e os seus colegas também notaram a deteção direta de nuvens de silicato, tornando este o primeiro caso em que tal fenómeno foi feito para um companheiro de massa planetária.

Este e outros exames espetroscópicos recentes de anãs castanhas (como um estudo recente baseado em dados do Spitzer) confirmam que esses objetos de massa subestelar produzem calor suficiente para vaporizar minerais. Também dá informações sobre como as atmosferas planetárias funcionam, particularmente para planetas que estão mais próximos em tamanho e temperatura da Terra.

Estes resultados foram semelhantes às observações anteriores de HR 8799 c, d e e, três exoplanetas que orbitam uma estrela variável do tipo K a cerca de 133 anos-luz da Terra. Estes exoplanetas variam entre cerca de 7 e 9 massas solares, provavelmente anãs castanhas, e têm espectros semelhantes.

No entanto, o JWST forneceu uma resolução e capacidade de imagem muito maiores do que as campanhas de observação anteriores, validando ainda mais o sofisticado observatório e a sua capacidade de visualizar e caraterizar exoplanetas diretamente. Disse Cárter:

“Também determinamos que o JWST é até um fator de 10 mais sensível do que prevíamos nesses modos de observação. Isso significa que poderemos facilmente fazer esse tipo de observação em um número maior de objetos conhecidos. Além disso, para algumas estrelas, seremos mais sensíveis ao que é atualmente possível do solo, o que significa que também poderemos descobrir novos planetas. Particularmente, até agora, temos apenas imagens diretas de objetos maiores que Júpiter. O JWST pode permitir detetar Saturno ou mesmo análogos de Urano/Netuno.”

O estudo ricamente detalhado de exoplanetas é apenas mais uma maneira pela qual o Webb está a cumprir os seus objetivos científicos. Com a sua ótica avançada, coronógrafos e espetrómetros, este observatório de próxima geração confirmará e caraterizará exoplanetas como nunca antes.

Isso permitirá que os astrónomos completem o censo de exoplanetas, detetem planetas rochosos menores que orbitam mais de perto com suas estrelas e restrinjam ainda mais a habitabilidade planetária. Com um pouco de sorte, pode até descobrir a primeira evidência de vida além do nosso Sistema Solar.