Os cientistas medem a atmosfera de um planeta em outro sistema solar, a 340 anos-luz de distância

Conceito artístico de um exoplaneta “Hot Jupiter”. Crédito: NASA, ESA e L. Hustak (STScI)

Uma equipe internacional de cientistas, usando o telescópio Gemini Earth Observatory no Chile, é a primeira a medir diretamente a quantidade de água e monóxido de carbono na atmosfera de um planeta em outro sistema solar a cerca de 340 anos-luz de distância.

A equipe é liderada pelo professor associado Michael Lane, da Escola de Exploração da Terra e do Espaço da Universidade do Estado do Arizona, e os resultados foram publicados hoje (27 de outubro de 2021) na revista. temperar natureza.

Existem milhares de planetas conhecidos fora do nosso sistema solar (chamados exoplanetas). Os cientistas usam telescópios espaciais e terrestres para examinar como esses exoplanetas se formam e como eles diferem dos planetas em nosso sistema solar.

Neste estudo, Laine e sua equipe se concentraram no planeta “WASP-77Ab”, um tipo de planeta extra-solar chamado de “quente” Júpiter“Porque eles são como Júpiter em nosso sistema solar, mas com uma temperatura de mais de 2.000 graus F.

Em seguida, eles se concentraram em medir a composição de sua atmosfera para determinar quais elementos estavam presentes, em comparação com a estrela que orbita.

“Dados seus tamanhos e temperaturas, os Júpiteres quentes são excelentes laboratórios para medir gases atmosféricos e testar nossas teorias sobre a formação de planetas”, disse Lane.

Embora ainda não possamos enviar espaçonaves a planetas fora do nosso sistema solar, os cientistas podem estudar a luz de exoplanetas usando telescópios. Os telescópios que eles usam para observar essa luz podem estar no espaço, como telescópio espacial Hubble, ou da Terra, como os telescópios do Observatório Gemini.

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Lane e sua equipe estiveram amplamente envolvidos na medição das composições atmosféricas de exoplanetas usando o Hubble, mas obter essas medições tem sido difícil. Não há apenas uma competição acirrada pelo tempo de telescópio, os instrumentos do Hubble medem apenas água (ou oxigênio), e a equipe também precisa coletar medições de monóxido de carbono (ou carbono).

Este é o lugar onde a equipe se voltou para o Telescópio Sul Gemini.

“Precisávamos tentar algo diferente para responder às nossas perguntas”, disse Lane. “E nossa análise das capacidades do South Gemini indicou que poderíamos obter medições muito precisas da atmosfera.”

Gemini South é um telescópio de 8,1 metros localizado em uma montanha nos Andes chilenos chamada Cerro Pachón, onde o ar muito seco e a cobertura de nuvens insignificante o tornam um local privilegiado para o telescópio. É operado pelo NOIRLab (National Optical and Infrared Astronomy Research Laboratory) da National Science Foundation.

Usando o Gemini South Telescope, com um instrumento chamado Immersion Grating Infrared Spectrometer (IGRINS), a equipe observou o brilho térmico do exoplaneta enquanto orbitava sua estrela hospedeira. A partir desse dispositivo, eles coletaram informações sobre a presença e as quantidades relativas de vários gases na atmosfera.

Como os satélites meteorológicos e climáticos que são usados ​​para medir a quantidade de vapor d’água e dióxido de carbono na atmosfera da Terra, os cientistas podem usar espectrômetros e telescópios, como o IGRINS em Gêmeos Sul, para medir a quantidade de vários gases em outros planetas.

“Tentar descobrir a composição da atmosfera dos planetas é como tentar resolver um crime com uma impressão digital”, disse Lane. “Uma impressão digital borrada não restringe muito, mas uma impressão digital muito limpa e organizada fornece um identificador exclusivo para quem cometeu o crime.”

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Enquanto o Telescópio Espacial Hubble forneceu à equipe uma ou duas impressões digitais misteriosas, o IGRINS da Gemini South forneceu à equipe um conjunto completo de impressões digitais cristalinas.

Usando medições explícitas de água e monóxido de carbono na atmosfera do WASP-77Ab, a equipe foi capaz de estimar as quantidades relativas de oxigênio e carbono na atmosfera do exoplaneta.

Mudança Doppler da atmosfera fora do sistema solar

Ao medir o deslocamento Doppler mostrado na coluna da direita desta figura, os cientistas podem reconstruir a velocidade orbital do planeta no tempo em direção ou longe da Terra. A força do sinal do planeta, conforme mostrado na coluna do meio, ao longo da velocidade aparente projetada (curva do mar tracejada) do planeta enquanto orbita a estrela, contém informações sobre a quantidade de vários gases na atmosfera. Crédito: P. Smith / M. Lines. Selkirk / ASU

“Esses valores estavam em linha com nossas expectativas e são quase iguais aos da estrela anfitriã”, disse Lane.

Colocar grandes quantidades de gases ultrafinos na atmosfera de exoplanetas não é apenas um feito técnico importante, especialmente com um telescópio terrestre, mas também pode ajudar os cientistas na busca por vida em outros planetas.

“Este trabalho representa uma demonstração de como os gases de bioassinatura, como oxigênio e metano, podem ser medidos em mundos potencialmente habitáveis ​​em um futuro não muito distante”, disse Lane.

O que Line e sua equipe esperam é replicar esta análise para vários planetas e criar uma “amostra” de medições atmosféricas em pelo menos 15 outros planetas.

“Estamos agora no ponto em que podemos obter frações de abundância de gás semelhantes às dos planetas em nosso sistema solar. Medir a abundância de carbono e oxigênio (e outros elementos) na atmosfera de uma amostra maior de exoplanetas fornece o que é muito necessário contexto para compreender as origens e evolução de nossos gigantes gasosos, como Júpiter e SaturnoLinha disse.

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Eles também estão ansiosos pelo que os futuros telescópios podem oferecer.

“Se pudermos fazer isso com a tecnologia de hoje, pense no que seremos capazes de fazer com telescópios emergentes como o Telescópio Gigante de Magalhães”, disse Lane. “É uma possibilidade real que até o final desta década possamos usar o mesmo método para explorar sinais potenciais de vida, que também contêm carbono e oxigênio, em planetas rochosos semelhantes à Terra fora de nosso sistema solar.”

Referência: “Solar C / O and Quasi-solar Metallicity in Jupiter’s Hot Atmosphere” por Michael R. Line, Matteo Brugi, Jacob L. Penn, Siddharth Gandhi, Joseph Zaleski, Vivian Parmentier, Peter Smith, Gregory N. Megan Mansfield, Eliza M. Kimpton, Jonathan J. Fortney, Evgenia Shkolnik, Jennifer Passion, Emily Rausher, Jean-Michel Desert e Just B Wardner, 27 de outubro de 2021, temperar natureza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03912-6

Além de Line, a equipe de pesquisa inclui Joseph Zaleski, Evgenia Shkolnik, Jennifer Patchens e Peter Smith, da Escola de Exploração da Terra e do Espaço da Arizona State University; Matthew Bruggi e Siddharth Gandhi de Universidade de Warwick (Reino Unido); Jacob Bean e Megan Mansfield de Universidade de Chicago; Vivien Parmentier e Joost Wardenier de Universidade de Oxford (Reino Unido); Gregory Mays, da Universidade do Texas em Austin. Eliza Kempton da Universidade de Maryland; Jonathan Fortney, da Universidade da Califórnia, Santa Cruz; Emily Rausher, da Universidade de Michigan; e o deserto Jean-Michel da Universidade de Amsterdã.

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