Pela primeira vez, o lado noturno de Júpiter foi visto com detalhe

Os astrónomos obtiveram a visão mais clara até agora do lado escuro perpétuo de um exoplaneta que tem acoplamento de maré em relação à sua estrela. As suas observações, combinadas com medições do lado diurno permanente do planeta, proporcionam a primeira vista detalhada da atmosfera global de um exoplaneta.

“Estamos agora a ir para além dos instantâneos isolados de regiões específicas de atmosferas de exoplanetas, para as estudarmos como sistemas 3D que realmente são,” diz Thomas Mikal-Evans, que liderou o estudo como pós-doc no Instituto Kavli para Astrofísica e Investigação Espacial do MIT (Massachusetts Institute of Technology).

O planeta no centro do novo estudo, publicado na revista Nature Astronomy, é WASP-121b, um massivo gigante gasoso com quase o dobro do tamanho de Júpiter. O planeta é um Júpiter ultraquente e foi descoberto em 2015 em órbita de uma estrela a cerca de 850 anos-luz da Terra. WASP-121b tem uma das órbitas mais curtas já detetadas até à data, completando uma volta em torno da sua estrela em apenas 30 horas. Também tem acoplamento de maré, o que significa que um lado está sempre virado para a estrela (diurno), enquanto o outro está sempre em escuridão, voltado sempre para o espaço.

“Os Júpiteres quentes são famosos por terem lados diurnos muito brilhantes, mas o lado noturno é completamente diferente. O lado noturno de WASP-121b é cerca de 10 vezes mais ténue do que o seu lado diurno,” diz Tansu Daylan, pós-doutorado do MIT que trabalha na missão TESS da NASA e coautor do estudo.

Os astrónomos já tinham detetado anteriormente vapor de água e estudado como a temperatura atmosférica muda com a altitude no lado diurno do planeta.

O novo estudo obteve um quadro geral muito mais detalhado. Os investigadores foram capazes de mapear as mudanças dramáticas de temperatura do lado do dia para o lado da noite e de ver como estas temperaturas mudam com a altitude. Também rastrearam a presença de água na atmosfera para mostrar, pela primeira vez, como a água circula entre o lado diurno e o lado noturno de um exoplaneta.

Enquanto que na Terra a água circula primeiro evaporando, depois condensando-se em nuvens, e depois chovendo, em WASP-121b o ciclo da água é muito mais intenso: no lado diurno, os átomos que compõem a água são “rasgados” a temperaturas superiores a 3000 Kelvin. Estes átomos são soprados para o lado da noite, onde as temperaturas mais frias permitem que os átomos de hidrogénio e oxigénio se recombinem em moléculas de água, que depois sopram de volta para o lado do dia, onde o ciclo recomeça.

A equipa calcula que o ciclo da água do exoplaneta é sustentado por ventos que “chicoteiam” os átomos à volta do planeta a velocidades até 5 quilómetros por segundo.

Parece também que a água não está sozinha a circular em torno do planeta. Os astrónomos descobriram que o lado noturno é suficientemente frio para hospedar nuvens exóticas de ferro e corindo – um mineral que compõe rubis e safiras. Estas nuvens, como o vapor de água, podem deslocar-se até ao lado diurno, onde as altas temperaturas vaporizam os metais para o estado gasoso. Pelo caminho, pode ser produzida chuva exótica, como gemas líquidas das nuvens de corindo.

“Com esta observação, estamos realmente a obter uma visão global da meteorologia de um exoplaneta,” explica Mikal-Evans. O estudo inclui coautores do MIT, da Universidade Johns Hopkins, do Caltech e de outras instituições.

Dia e noite

A equipa observou WASP-121b usando uma câmara espectroscópica a bordo do Telescópio Espacial Hubble da NASA. O instrumento observa a luz de um planeta e da sua estrela, e quebra essa luz nos seus comprimentos de onda constituintes, cujas intensidades dão aos astrónomos pistas sobre a temperatura e composição de uma atmosfera.

Através de estudos espectroscópicos, os cientistas observaram detalhes atmosféricos nos lados diurnos de muitos exoplanetas. Mas fazer o mesmo para o lado noturno é muito mais complicado, uma vez que requer a observação de pequenas mudanças em todo o espectro do planeta à medida que orbita a sua estrela.

Para o novo estudo, a equipa observou WASP-121b durante duas órbitas completas – uma em 2018, e a outra em 2019. Para ambas as observações, os investigadores examinaram os dados de luz em busca de uma linha específica, ou característica espectral, que indicava a presença de vapor de água.

“Vimos esta característica da água e mapeámos como mudou em diferentes partes da órbita do planeta,” diz Mikal-Evans. “Isto codifica informação sobre o que a temperatura da atmosfera do planeta está a fazer em função da altitude.”

A característica mutável da água ajudou a equipa a mapear o perfil da temperatura tanto no lado do dia como no lado da noite. Descobriram que o lado diurno varia de 2500 K na sua camada observável mais profunda até 3500 K nas suas camadas mais altas. O lado noturno varia de 1800 K na camada mais profunda a 1500 K na atmosfera superior. Curiosamente, os perfis de temperatura parecem inverter-se, subindo com a altitude no lado diurno – uma “inversão térmica”, em termos de meteorológicos – e descendo com a altitude no lado noturno.

Os investigadores passaram então os mapas de temperatura através de vários modelos para identificar elementos químicos suscetíveis de existirem na atmosfera do planeta, dadas as altitudes e temperaturas específicas. Esta modelagem revelou o potencial para nuvens metálicas, como ferro, corindo e titânio no lado noturno.

A partir do seu mapeamento de temperatura, a equipa observou também que a região mais quente do planeta é deslocada para este da região “subestelar” diretamente abaixo da estrela. Deduziram que este deslocamento se deve aos ventos extremos.

“O gás é aquecido no ponto subestelar mas é soprado para este antes de poder ser redirecionado para o espaço,” explica Mikal-Evans. Pelo tamanho deste desvio, a equipa estima que as velocidades do vento rondem os 5 quilómetros por segundo.

“Estes ventos são muito mais rápidos do que as correntes de ar da Terra e podem provavelmente mover nuvens por todo o planeta em mais ou menos 20 horas,” diz Daylan, que liderou trabalhos anteriores sobre o planeta usando o TESS.

Os astrónomos reservaram tempo no Telescópio Espacial James Webb para observar WASP-121b no final deste ano e esperam mapear as mudanças não só no vapor de água, mas também no monóxido de carbono, que os cientistas suspeitam residir na atmosfera.

“Seria a primeira vez que poderíamos medir uma molécula portadora de carbono na atmosfera deste planeta,” diz Mikal-Evans. “A quantidade de carbono e oxigénio na atmosfera fornece pistas sobre onde este tipo de planeta se forma.”