Estudo conduzido por pesquisadores da Universidade de Maryland e da Universidade Cornell

Conduzido por pesquisadores da Universidade de Maryland e da Universidade Cornell, o estudo mapeia as temperaturas em WASP-18b, um gigante gasoso classificado como “Júpiter ultra-quente” localizado a 400 anos-luz da Terra. A equipe aplicou um método conhecido como mapeamento de eclipses 3D, também chamado de mapeamento espectroscópico de eclipses, marcando a primeira vez que essa 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 utilizando observações altamente sensíveis do Telescópio Espacial James Webb (JWST).

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

Novo método de mapeamento abre possibilidades para estudar exoplanetas

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

“O mapeamento de eclipses nos permite imaginar exoplanetas que não podemos ver diretamente, porque suas estrelas anfitriãs são muito brilhantes,” disse Ryan Challener, coautor principal do artigo e associado pós-doutoral no Departamento de Astronomia da Universidade Cornell. “Com este telescópio e essa nova técnica, podemos começar a entender os exoplanetas da mesma forma que nossos vizinhos do sistema solar.”

Detectar exoplanetas é difícil porque eles são tipicamente muito mais tênues que suas estrelas, frequentemente contribuindo com menos de 1% da luz total. O mapeamento de eclipses mede pequenas variações nessa luz enquanto o planeta se move atrás de sua estrela, ocultando e revelando alternadamente diferentes regiões. Ao relacionar essas pequenas mudanças de brilho a locais específicos no planeta e analisá-las em várias cores, os cientistas podem reconstruir as temperaturas em latitude, longitude e altitude.

WASP-18b é bem adequado para esse teste porque tem a massa de cerca de 10 Jupiters, completa uma órbita em apenas 23 horas e atinge temperaturas próximas a 2.760 graus Celsius. Essas propriedades fornecem um sinal relativamente forte para o novo método de mapeamento.

Uma nova abordagem para o mapeamento espectroscópico de exoplanetas

O mapa 2D anterior da equipe usou uma única cor de luz. Para a versão 3D, eles reanalisaram os mesmos dados do JWST do Espectrógrafo de Imagem e Slitless Near-Infrared (NIRISS) em várias comprimentos de onda. Cada cor investiga diferentes camadas da atmosfera de WASP-18b e corresponde a uma temperatura e altitude específicas. Combinando essas camadas, é possível obter uma estrutura detalhada da temperatura tridimensional.

“Se você constrói um mapa em uma comprimento de onda que a água absorve, verá a camada de água na atmosfera, enquanto um comprimento de onda que a água não absorve investigará mais profundamente,” explicou Challener. “Se você juntar essas informações, poderá obter um mapa 3D das temperaturas nesta atmosfera.”

A análise 3D identifica zonas espectroscopicamente distintas no lado diurno permanente do planeta, que sempre enfrenta a estrela devido ao fato de o planeta estar sincronizado em rotação. Um ponto quente circular se localiza onde a luz da estrela incide mais diretamente, e os ventos parecem muito fracos para espalhar esse calor de forma eficiente. Um anel mais frio circunda o centro quente perto da borda do planeta. Mensurações também mostram a água em vapor reduzida dentro do ponto quente em comparação com a média do planeta.

“Já vimos isso acontecer em um nível populacional, onde você pode observar um planeta mais frio que possui água e um planeta mais quente que não possui água,” explicou Weiner Mansfield. “Mas esta é a primeira vez que vimos isso de forma segmentada em um único planeta. É uma única atmosfera, mas vemos regiões mais frias que têm água e regiões mais quentes onde a água está se desintegrando. Isso havia sido previsto teoricamente, mas é muito empolgante realmente ver isso com observações reais.”

Perspectivas futuras para a pesquisa de exoplanetas

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

“É muito emocionante finalmente ter as ferramentas para ver e mapear as temperaturas de um planeta diferente com tanto detalhe. Isso nos prepara 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 superfície e possivelmente entender sua composição,” disse Mansfield. “Embora WASP-18b fosse mais previsível, acredito que teremos a chance de ver coisas que nunca imaginamos antes.”

Esta pesquisa foi apoiada pelo Programa de Ciência de Lançamento Precoce da Comunidade de Exoplanetas do Telescópio Espacial James Webb.