As observações da super-Terra ultra-quente TOI-561 b indicam que este exoplaneta provavelmente está envolto em uma espessa camada de gases acima de um oceano global de rocha derretida.

A equipe reportou os resultados no dia 11 de dezembro na Letters of The Astrophysical Journal. Eles explicam que os novos dados ajudam a justificar a surpreendentemente baixa densidade do planeta e desafiam a ideia de longa data de que planetas relativamente pequenos orbitando muito próximo de suas estrelas não podem reter atmosferas.

Órbita extrema e super-Terra de período ultra-curto

TOI-561 b tem um raio cerca de 1,4 vezes maior que o da Terra e completa uma órbita em menos de 11 horas, colocando-o em um grupo raro conhecido como exoplanetas de período ultra-curto.

A estrela anfitriã é apenas um pouco menor e mais fria que o Sol, mas TOI-561 b orbita a uma distância extremamente próxima — menos de um milhão de milhas ou um conflito quarenta da distância entre Mercúrio e o Sol — o que quase certamente mantém um lado permanentemente voltado para a estrela. Neste lado onde é eterno dia, as temperaturas devem subir muito além do ponto de fusão da rocha típica.

A coautora Dra. Anjali Piette, da Universidade de Birmingham, disse: “Precisamos realmente de uma atmosfera espessa rica em voláteis para explicar todas as observações. Ventos fortes esfriariam o lado diurno ao transportar calor para o lado noturno.

“Gases como vapor d’água absorveriam alguns comprimentos de onda de luz infravermelha próxima emitida pela superfície antes de chegarem ao topo da atmosfera. O planeta pareceria mais frio porque o telescópio detecta menos luz, mas também é possível que haja nuvens de silicato brilhantes que esfriam a atmosfera ao refletir a luz estelar.”

Investigando a baixa densidade incomum do planeta

Uma explicação possível que os pesquisadores exploraram para a baixa densidade do planeta é que TOI-561 b pode conter um núcleo de ferro relativamente pequeno junto com um manto feito de rocha que é menos denso do que o interior da Terra.

A autora principal Johanna Teske, cientista da Carnegie Science Earth and Planets Laboratory, disse: “O que realmente diferencia este planeta é sua densidade anormalmente baixa. É menos denso do que se esperaria se tivesse uma composição semelhante à da Terra.

“TOI-561 b é distinto entre os planetas de período ultra-curto na medida em que orbita uma estrela muito antiga e pobre em ferro — duas vezes mais velha que o nosso Sol — em uma região da Via Láctea conhecida como o disco espesso. Deve ter se formado em um ambiente químico muito diferente dos planetas em nosso próprio sistema solar.”

Por causa disso, a composição do planeta pode se assemelhar à de mundos que se formaram quando o universo ainda era relativamente jovem.

Uma atmosfera espessa acima de um oceano de magma global

A equipe também propôs que TOI-561 b poderia estar envolta em uma atmosfera substancial que faz o planeta parecer maior do que seu corpo sólido sozinho. Embora a teoria sugira que planetas pequenos deixados por bilhões de anos em intensa radiação estelar deveriam perder quaisquer gases que uma vez tiveram, alguns desses mundos ainda mostram sinais de que não são apenas rochas nuas ou lava exposta.

Usando o NIRSpec (Espectrômetro Infravermelho Próximo) do Webb para medir a temperatura do lado diurno do planeta com base em seu brilho no infravermelho próximo, os pesquisadores testaram a ideia de que TOI-561 b tem uma atmosfera. O método envolve rastrear a queda no brilho do sistema combinado estrela e planeta quando o planeta se move atrás da estrela. É semelhante às técnicas usadas para buscar atmosferas no sistema TRAPPIST-1 e em outros pequenos exoplanetas rochosos.

Se TOI-561 b fosse simplesmente uma superfície rochosa nua sem atmosfera para mover calor para o lado noturno, seu hemisfério iluminado deveria atingir cerca de 4.900 graus Fahrenheit (2.700 graus Celsius). Em vez disso, os dados do NIRSpec indicam que a temperatura do lado diurno está mais próxima de 3.200 graus Fahrenheit (1.800 graus Celsius) — ainda extremamente quente, mas significativamente mais fresca do que o esperado.

Testando cenários de transporte de calor e atmosféricos

Para explicar essa temperatura inferior à esperada, os pesquisadores avaliaram vários cenários. Um oceano de magma global poderia mover algum calor do lado diurno em direção ao lado noturno, mas sem uma atmosfera o lado permanentemente escuro solidificaria, limitando a quantidade de energia que poderia ser redistribuída. Uma fina camada de vapor de rocha sobre a superfície derretida poderia existir, mas por si só isso não proporcionaria resfriamento suficiente para corresponder às observações.

Embora as medições do Webb apoiem fortemente a presença de uma atmosfera, um importante enigma permanece: como pode um planeta relativamente pequeno que é bombardeado por uma radiação tão intensa manter qualquer atmosfera, especialmente uma que parece tão substancial?

O coautor Tim Lichtenberg da Universidade de Groningen, Países Baixos, disse: “Acreditamos que há um equilíbrio entre o oceano de magma e a atmosfera. Enquanto gases estão saindo do planeta para alimentar a atmosfera, o oceano de magma os suga de volta para o interior. Este planeta deve ser muito, muito mais rico em voláteis do que a Terra para explicar as observações. É realmente como uma bola de lava úmida.”

A longa observação do Webb sobre TOI-561 b e sua missão mais ampla

Essas descobertas vêm dos primeiros resultados do Programa de Observadores Gerais 3860 do Webb, que monitorou o sistema continuamente por mais de 37 horas enquanto TOI-561 b completou quase quatro órbitas completas de sua estrela. A equipe agora está estudando o conjunto de dados completo em detalhes para registrar como a temperatura varia em todo o planeta e para definir melhor a composição de sua atmosfera.

O Telescópio Espacial James Webb é o principal observatório de ciência espacial do mundo. Webb está resolvendo mistérios em nosso sistema solar, olhando além para mundos distantes ao redor de outras estrelas e sondando as estruturas misteriosas e as origens do nosso universo e do nosso lugar nele. Webb é um programa internacional liderado pela NASA com seus parceiros, ESA (Agência Espacial Europeia) e CSA (Agência Espacial do Canadá).