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Um Júpiter quente e seco. SPIRou revela atmosfera do exoplaneta Tau Boötis b

ESO / L. Calçada

Impressão artística do exoplaneta Tau Boötis b

Usando o espectropolarímetro SPIRou montado no CFHT (Canada–France–Hawaii Telescope) no Havai, uma equipa estudou a atmosfera do exoplaneta gigante gasoso Tau Boötis b, um mundo escaldante que demora apenas três dias para completar uma órbita em torno da sua estrela hospedeira.

A sua análise detalhada, apresentada a semana passada num artigo publicado no The Astronomical Journal, mostra que a atmosfera do planeta gasoso contém monóxido de carbono, como esperado, mas surpreendentemente quase nenhuma água, uma molécula que se pensava ser prevalente e que deveria ter sido facilmente detetável com o SPIRou.

Tau Boötis b é um planeta 6,24 vezes mais massivo do que Júpiter e que está oito vezes mais perto da sua estrela-mãe do que Mercúrio está do Sol. Localizado a apenas 51 anos-luz da Terra e 40% mais massiva do que o Sol, a sua estrela, Tau Boötis, é uma das mais brilhantes que se sabe possuir planetas, e é visível a olho nu na direção da constelação de Boieiro.

Tau Boötis b foi um dos primeiros exoplanetas descobertos, em 1996, graças ao método de velocidade radial, que deteta o leve movimento oscilatório de uma estrela gerado pela atração gravitacional do seu planeta. A sua atmosfera já havia sido estudada várias vezes antes, mas nunca com um instrumento tão poderoso como o SPIRou para assim revelar o seu conteúdo molecular.

À procura de água

Supondo que Tau Boötis b se formou num disco protoplanetário com uma composição semelhante à do nosso Sistema Solar, os modelos mostram que o vapor de água deve estar presente em grandes quantidades na sua atmosfera. Portanto, deveria ser fácil de detetar com um instrumento como o SPIRou.

“Esperávamos uma forte deteção de água, talvez com um pouco de monóxido de carbono”, explicou Pelletier. “Ficámos, no entanto, surpreendidos ao descobrir o oposto: monóxido de carbono, mas sem água.”

A equipa trabalhou arduamente para garantir que os resultados não pudessem ser atribuídos a problemas com o instrumento ou com a análise de dados. “Assim que nos convencemos de que o conteúdo de água era, de fato, muito menor do que o esperado em Tau Boötis b, pudemos começar a procurar mecanismos de formação que pudessem explicar isto,” disse Pelletier.

Estudar Júpiteres quentes para melhor compreender Júpiter e Saturno

“Júpiteres quentes como Tau Boötis b fornecem uma oportunidade sem precedentes para sondar a formação de planetas gigantes”, disse o coautor Björn Benneke, professor de astrofísica e orientador de doutoramento de Pelletier na Universidade de Montreal. “A composição do planeta dá pistas de onde e como este planeta gigante se formou.”

A chave para revelar o local e o mecanismo de formação de planetas gigantes está impressa na sua composição atmosférica molecular. A temperatura extrema dos Júpiteres quentes permite que a maioria das moléculas na sua atmosfera esteja na forma gasosa e, portanto, detetável com instrumentos atuais. Os astrónomos podem, portanto, medir com precisão o conteúdo das suas atmosferas.

“No nosso Sistema Solar, Júpiter e Saturno são muito frios“, disse Benneke. “Algumas moléculas, como a água, estão congeladas e escondidas nas profundezas da sua atmosfera; assim sendo, temos um conhecimento muito pobre da sua abundância. O estudo de Júpiteres quentes fornece uma maneira de melhor entender os nossos próprios planetas gigantes. A baixa quantidade de água em Tau Boötis b pode significar que o nosso próprio Júpiter também é mais seco do que pensávamos anteriormente.”

SPIRou: um instrumento único

Tau Boötis b é um dos primeiros planetas estudados com o novo instrumento SPIRou desde que foi recentemente colocado em serviço no CFHT. Este instrumento foi desenvolvido por pesquisadores de várias instituições científicas, incluindo a Universidade de Montreal.

“Este espectropolarímetro pode analisar a luz térmica do planeta – a luz emitida pelo próprio planeta – numa gama de cores sem precedentes e com uma resolução que permite a identificação de várias moléculas ao mesmo tempo: água, monóxido de carbono, metano, etc”, disse o coautor e investigador no iREx Neil Cook, especialista no instrumento SPIRou.

A equipa passou 20 horas a observar o exoplaneta com o SPIRou entre abril de 2019 e junho de 2020. “Medimos a abundância de todas as principais moléculas que contêm carbono ou oxigénio”, disse Pelletier. “Como são os dois elementos mais abundantes no Universo, depois do hidrogénio e do hélio, isso dá-nos uma imagem muito completa do conteúdo da atmosfera.”

Ao contrário da maioria dos planetas conhecidos, Tau Boötis b não passa em frente da sua estrela à medida que a orbita, do ponto de vista da Terra. No entanto, o estudo das atmosferas exoplanetárias tem-se limitado principalmente a planetas em “trânsito” – aqueles que provocam quedas periódicas no brilho estelar quando obscurecem parte da sua luz.

É a primeira vez que obtemos medições precisas da composição atmosférica de um exoplaneta que não transita”, disse a estudante de doutoramento Caroline Piaulet, coautor do estudo.

“Este trabalho abre a porta para estudar em detalhe as atmosferas de um grande número de exoplanetas, mesmo aqueles que não transitam a sua estrela.”

Uma composição semelhante a Júpiter

Por meio da sua análise, Pelletier e colegas foram capazes de concluir que a composição atmosférica de Tau Boötis b tem cerca de cinco vezes mais carbono do que o Sol, percentagens estas semelhantes às medidas em Júpiter.

Isto pode ser uma sugestão de que os Júpiteres quentes formam-se muito mais longe da sua estrela hospedeira, a distâncias semelhantes às dos planetas gigantes no nosso Sistema Solar, e simplesmente evoluíram de modo diferente, incluindo uma migração em direção à estrela.

“De acordo com o que descobrimos para Tau Boötis b, parece que, pelo menos em termos de composição, os Júpiteres quentes podem afinal não ser tão diferentes dos nossos planetas gigantes do Sistema Solar”, conclui Pelletier.

  // CCVAlg

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