JWST captura uma impressionante vista 3D da atmosfera escaldante de um planeta

Liderado por pesquisadores da Universidade de Maryland e da Universidade Cornell, o estudo mapeia as temperaturas em WASP-18b, um enorme gigante gasoso classificado como um “Júpiter ultraquente” localizado a 400 anos-luz da Terra. A equipe aplicou um método conhecido como mapeamento de eclipse 3D, também chamado de mapeamento espectroscópico de eclipse, marcando a primeira vez que esta técnica foi usada para construir um mapa de temperatura 3D completo. O trabalho expande um mapa de eclipse 2D que o grupo lançou em 2023 usando observações altamente sensíveis do Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA.

“Esta técnica é realmente a única que pode sondar todas as três dimensões ao mesmo tempo: latitude, longitude e altitude”, disse a coautora principal do artigo, Megan Weiner Mansfield, professora assistente de astronomia na UMD. “Isso nos dá um nível de detalhe mais alto do que jamais tivemos para estudar esses corpos celestes.”

Com esta abordagem, os cientistas podem começar a mapear as diferenças atmosféricas em muitos exoplanetas observáveis ​​pelo JWST, tal como os telescópios terrestres documentaram a Grande Mancha Vermelha de Júpiter e as suas nuvens em faixas.

“O mapeamento de eclipses permite-nos obter imagens de exoplanetas que não podemos ver diretamente, porque as suas estrelas hospedeiras são demasiado brilhantes,” disse o co-autor principal do artigo, Ryan Challener, associado de pós-doutoramento no Departamento de Astronomia da Universidade Cornell. “Com este telescópio e esta nova técnica, podemos começar a compreender os exoplanetas da mesma forma que os nossos vizinhos do sistema solar.”

Detectar exoplanetas é difícil porque eles são normalmente muito mais escuros do que as suas estrelas, muitas vezes contribuindo com menos de 1% da luz total. O mapeamento do eclipse mede pequenas variações nessa luz à medida que o planeta se move atrás da sua estrela, ocultando e revelando alternadamente diferentes regiões. Ao vincular essas pequenas mudanças de brilho a locais específicos do planeta e analisá-las em várias cores, os cientistas podem reconstruir as temperaturas em latitude, longitude e altitude.

WASP-18b é adequado para este teste porque tem cerca de 10 Júpiteres, completa uma órbita em apenas 23 horas e atinge temperaturas próximas de 5.000 graus Fahrenheit. Essas propriedades fornecem um sinal comparativamente forte para o novo método de mapeamento.

O mapa 2D anterior da equipe usava uma única cor de luz. Para a versão 3D, eles reanalisaram os mesmos dados JWST do Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) em vários comprimentos de onda. Cada cor sonda diferentes camadas da atmosfera do WASP-18b e corresponde a uma temperatura e altitude específicas. A combinação dessas camadas produz uma estrutura de temperatura tridimensional detalhada.

“Se você construir um mapa em um comprimento de onda que a água absorve, você verá a camada de água na atmosfera, enquanto um comprimento de onda que a água não absorve irá sondar mais profundamente”, explicou Challener. “Se você juntar tudo isso, poderá obter um mapa 3D das temperaturas nesta atmosfera.”

A análise 3D identifica zonas espectroscopicamente distintas no lado diurno permanente do planeta, que está sempre voltado para a estrela porque o planeta está bloqueado pelas marés. Um ponto quente circular fica onde a luz da estrela atinge mais diretamente, e os ventos parecem fracos demais para espalhar esse calor de forma eficiente. Um anel mais frio circunda o centro quente perto da borda do planeta. As medições também mostram uma redução do vapor de água dentro do ponto quente em comparação com a média do planeta.

“Vimos isto acontecer a nível populacional, onde podemos ver um planeta mais frio que tem água e depois um planeta mais quente que não tem água”, explicou Weiner Mansfield. “Mas esta é a primeira vez que vimos isto ser quebrado num planeta. É uma atmosfera, mas vemos regiões mais frias que têm água e regiões mais quentes onde a água está a ser quebrada. Isso foi previsto pela teoria, mas é realmente emocionante ver isto com observações reais.”

Observações adicionais do JWST poderiam aprimorar os detalhes espaciais em futuros mapas de eclipses 3D. Weiner Mansfield observou que o método abre novas oportunidades para estudar muitos “Júpiteres quentes”, que chegam a centenas entre os mais de 6.000 exoplanetas confirmados. Ela também pretende aplicar o mapeamento de eclipses 3D a mundos rochosos menores, além de gigantes gasosos como WASP-18b.

“É muito emocionante finalmente ter as ferramentas para ver e mapear as temperaturas de um planeta diferente com tantos detalhes. Isso nos preparou para possivelmente usar a técnica em outros tipos de exoplanetas. Por exemplo, se um planeta não tiver uma atmosfera, ainda podemos usar a técnica para mapear a temperatura da própria superfície para possivelmente entender a sua composição”, disse Mansfield. “Embora o WASP-18b fosse mais previsível, acredito que teremos a oportunidade de ver coisas que nunca poderíamos ter esperado antes.”

Esta pesquisa foi apoiada pelo Programa Científico de Liberação Antecipada da Comunidade de Exoplanetas em Trânsito do Telescópio Espacial James Webb.