Até algumas décadas atrás, os únicos planetas que conhecíamos existiam em nosso sistema solar, e isso moldou a maneira como pensávamos sobre a formação planetária e a química planetária. Agora, com tantos exoplanetas identificados, temos muitos exemplos de coisas que nunca vimos antes: minúsculos Netunos, super-Terras, Júpiteres quentes.

Descobrir o que todas essas coisas novas estão nos dizendo é um pouco confuso. É relativamente fácil determinar a densidade de um planeta e quanta energia ele receberá de sua estrela hospedeira. Mas uma certa densidade geralmente corresponde a uma variedade de materiais – a rocha sólida pode atuar como análoga a um grande núcleo mineral e uma atmosfera inchada, por exemplo. E a temperatura do planeta dependerá muito de coisas como a composição de sua atmosfera e quanta luz sua superfície reflete.

Portanto, saber o que estamos vendo quando vemos dados em um exoplaneta é difícil. Mas com a operação bem-sucedida do Telescópio Espacial Webb, estamos começando a avançar um pouco mais. Na edição de quarta-feira da revista Nature, os cientistas usam dados do novo telescópio para inferir a química do gigante gasoso quente e descobrir que há coisas acontecendo que não veremos em nosso próprio sistema solar.

Grande e quente

O objetivo da investigação Exoplaneta WASP-39b, que fica a cerca de 700 anos-luz da Terra. É um gigante gasoso, mas sua massa é muito menor que a de Júpiter, em dois terços. Apesar disso, é muito maior que Júpiter, com um raio 1,7 vezes maior. O maior contribuinte para isso é o fato de que o planeta é quente. Seu raio orbital é inferior a 5% do raio da Terra e leva um pouco mais de quatro dias terrestres para completar uma órbita. A estrela que orbita também não é uma anã fraca; É aproximadamente do mesmo tamanho que o Sol e aquece o planeta a quase 900 graus Celsius.

Portanto, WASP-39b é diferente de qualquer um dos planetas do nosso sistema solar. O que o torna uma ótima opção para detectar coisas que não veríamos perto de casa. Também é um alvo atraente para observações porque sua atmosfera é muito grande. Isso significa que, à medida que o planeta passa entre sua estrela hospedeira e a Terra, mais luz da estrela passará pela atmosfera do WASP-39b. Quando isso acontece, os produtos químicos na atmosfera absorvem comprimentos de onda específicos, criando uma assinatura que podemos ler para aprender mais sobre a formação do planeta.

Por essas razões, WASP-39b foi um dos primeiros planetas a serem observados pelo telescópio Webb. Os dados obtidos indicam que a atmosfera do planeta contém dióxido de carbono e dióxido de enxofre.

Ambos os produtos químicos aparecem na atmosfera da Terra, então sua presença não é um grande choque nesse sentido. Mas a atmosfera da Terra é um ambiente oxidante, então produtos químicos oxidantes são a chave. Em contraste, os gigantes gasosos são ricos em hidrogênio, o que contribui para uma atmosfera redutora. Devemos ver água, metano e sulfeto de hidrogênio, não dióxido de carbono e dióxido de enxofre.

química do planeta

Para descobrir o que estava acontecendo, uma grande equipe de pesquisa adaptou um software que modela reações químicas para trabalhar com condições e precursores prováveis ​​de estarem presentes na atmosfera do WASP-39b. As condições foram criadas usando um modelo de circulação geral da atmosfera do planeta, com foco nos extremos da manhã e da noite – os locais onde os lados diurno e noturno do planeta se encontram.

Esses modelos mostraram que existem caminhos nos quais o dióxido de enxofre pode se formar. Mas eles começam com a quebra da água pela luz ultravioleta da estrela próxima. Os raios UV dividem a água em dois produtos químicos reativos chamados radicais (radicais H e OH, especificamente). A princípio, os radicais de hidrogênio removem o hidrogênio, deixando o enxofre para trás. Então isso reage com o radical OH, oxidando-o.

Os modelos preveem que o dióxido de enxofre será mais prevalente pela manhã, que é mais frio do que o lado noturno do planeta. Eles também sugerem que deveríamos ver precursores como enxofre e dióxido de enxofre, mas estes não deixariam uma marca na luz das estrelas passando pela atmosfera.

Uma das coisas mais interessantes sobre isso é que existem várias razões pelas quais isso não funciona bem em nosso sistema solar. Primeiro, todos os gigantes gasosos estão muito distantes no sistema solar e não recebem tanta radiação ultravioleta. Mas o maior problema é que o processo é muito sensível à proporção de elementos pesados ​​para o hidrogênio na atmosfera de um planeta (referido pelos astrônomos como a metalicidade do planeta). Mesmo sendo cinco vezes mais metálico que o nosso sol, você simplesmente não produz dióxido de enxofre suficiente para produzir uma assinatura que possamos detectar da Terra. Você precisa de aproximadamente 10 vezes mais metal solar para produzir um bom ajuste aos dados do Webb.

Em contraste, a produção de SO2 não parece ser muito sensível à temperatura. Portanto, WASP-39b sendo extremamente quente não parece desempenhar um papel em sua produção. Mas nos gigantes gasosos do sistema solar, as temperaturas são baixas o suficiente para que, mesmo se o dióxido de enxofre fosse formado, ele se condensaria rapidamente em partículas de aerossol ou sofreria reações químicas com a presença de amônia. Qualquer uma dessas duas coisas impediria o tipo de assinatura espectral de sua presença que vemos na luz que passou pela atmosfera de WASP-39b.

fora do sistema solar

Portanto, por todas essas razões, a atmosfera de WASP-39b parece abrigar um ambiente químico que não deveríamos esperar encontrar em nosso próprio sistema solar. À medida que começamos a imaginar as atmosferas de outros planetas, será importante manter isso em mente. A maioria das atmosferas que estamos observando provavelmente tem uma mistura de produtos químicos, pressões, temperaturas e exposições à radiação que são diferentes umas das outras e, portanto, podem abrigar uma química que não conhecemos.

Natureza, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05902-2 (sobre DOIs).