Uma equipe internacional de astrônomos reuniu e reprocessou observações do exoplaneta WASP-121 b coletadas com o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA nos anos de 2016, 2018 e 2019. Isso proporcionou um conjunto de dados único que permitiu não apenas analisar a atmosfera de WASP-121 b, mas também comparar o estado da atmosfera do exoplaneta ao longo de vários anos. Eles encontraram evidências claras de que as observações de WASP-121 b variavam com o tempo. A equipe então utilizou técnicas de modelagem sofisticadas para demonstrar que essas variações temporais poderiam ser explicadas por padrões climáticos na atmosfera do exoplaneta.

Observar exoplanetas —planetas além do nosso Sistema Solar — é desafiador, devido tanto à distância deles da Terra quanto ao fato de que eles geralmente orbitam estrelas muito maiores e mais brilhantes do que os próprios planetas. Isso significa que astrônomos que conseguiram observar um exoplaneta com um telescópio tão sofisticado quanto o Hubble geralmente têm que combinar todos os seus dados para obter informações suficientes para fazer deduções confiantes sobre as propriedades do exoplaneta.

Medições espectroscópicas de exoplanetas em trânsito forneceram uma riqueza de informações “instantâneas” sobre a estrutura térmica, química e propriedades das nuvens das atmosferas de exoplanetas. No entanto, informações variáveis ao longo do tempo ainda não foram obtidas de forma inequívoca por observações. Isso é em parte porque, antes do recentemente lançado Telescópio Espacial James Webb (JWST), as atmosferas de exoplanetas geralmente eram estudadas com uma única observação cuja relação sinal-ruído (S/N) da característica espectral é muito baixa.

Na tentativa de reduzir o ruído, a prática padrão atual é média o sinal de diferentes observações; no entanto, a média remove qualquer variabilidade temporal que possa ser capturada. Por outro lado, quando uma única observação pode alcançar um S/N alto o suficiente, a observação do planeta geralmente não é repetida — devido a restrições de tempo de observação.

Com o telescópio Spitzer, vários estudos analisaram medições repetidas de exoplanetas em trânsito individuais por meio de medições fotométricas multiépoca de eclipses. Muitos desses estudos não detectaram variabilidade atmosférica abaixo de um certo nível, devido à qualidade dos dados.

Os últimos estudos especularam que tais mudanças podem ser devidas a estruturas de nuvens variáveis, mas interpretações conclusivas dos conjuntos de dados permaneceram elusivas. Portanto, atualmente não existe detecção inequívoca de variabilidade atmosférica nas atmosferas de exoplanetas em trânsito.

Recentemente, a intrigante possibilidade de variabilidade temporal para o ultraquente Júpiter WASP-121 b foi relatada em dois estudos. O primeiro estudo compara espectros de uma observação baseada em terra usando Gemini-GMOS e uma observação do Telescópio Espacial Hubble (HST) usando HST-STIS e encontra diferenças nos dois espectros, que poderiam estar associadas a uma variabilidade temporal. O último estudo usa dados baseados em terra do SOAR-GHTS e encontra um espectro que também não corresponde ao das observações anteriores do HST. Esses estudos associam as diferenças observadas com a presença de um aumento da inclinação de dispersão no caso do GMOS, que poderia ser explicado por nuvens ou névoas, e abundâncias variáveis de TiO/VO molecular no caso do GHTS. Além disso, observações de curva de fase com o HST também relatam características diferentes da curva de fase (ou seja, deslocamento e forma do “ponto quente”), que poderiam ser indicativas de regiões quentes móveis na atmosfera. No entanto, a variabilidade inferida nesses trabalhos novamente depende da combinação das restrições de diferentes instrumentos e/ou condições de observação.

Ao combinar as observações para aumentar a força do sinal do exoplaneta, os astrônomos podem construir uma imagem média de sua atmosfera, mas isso não lhes diz se ela está mudando. Em outras palavras, eles não podem estudar o clima em outros mundos usando esse método de média. Estudar o clima requer muito mais dados de alta qualidade, obtidos ao longo de um período de tempo mais amplo.

Felizmente, o Hubble está ativo há tanto tempo que existe um vasto arquivo de dados do Hubble, às vezes com múltiplos conjuntos de observações do mesmo objeto celeste — e isso inclui o exoplaneta WASP-121 b. WASP-121 b (também conhecido como Tylos) é um Júpiter quente bem estudado [1] que orbita uma estrela a cerca de 880 anos-luz da Terra,  completando uma órbita completa em um período muito rápido de 30 horas. Sua proximidade extremamente próxima com sua estrela hospedeira significa que ele é bloqueado por maré [2], e que o hemisfério voltado para a estrela é muito quente, com temperaturas excedendo 3000 Kelvins [3].

A equipe combinou quatro conjuntos de observações arquivadas de WASP-121 b, todas feitas usando a Wide Field Camera 3 (WFC 3) do Hubble. O conjunto de dados completo incluiu observações de: WASP-121 b transitando na frente de sua estrela (feitas em junho de 2016); WASP-121 b transitando atrás de sua estrela, também conhecido como um eclipse secundário (feitas em novembro de 2016); e duas curvas de fase [4] de WASP-121 b (feitas em março de 2018 e fevereiro de 2019, respectivamente). A equipe tomou a etapa única de processar cada conjunto de dados da mesma maneira, mesmo que já tivessem sido processados por uma equipe diferente.

O processamento de dados de exoplanetas é demorado e complicado, mas valeu a pena porque permitiu que a equipe comparasse diretamente os dados processados de cada conjunto de observações entre si. Um dos principais investigadores da equipe, Quentin Changeat, um pesquisador da ESA no Instituto de Ciência do Telescópio Espacial, elabora:

“Nosso conjunto de dados representa uma quantidade significativa de tempo de observação para um único planeta e é atualmente o único conjunto consistente de tais observações repetidas. As informações que extraímos dessas observações foram usadas para caracterizar (inferir a química, temperatura e nuvens) da atmosfera de WASP-121 b em diferentes momentos. Isso nos proporcionou uma imagem requintada do planeta, mudando com o tempo.”

Após limpar cada conjunto de dados, a equipe encontrou evidências claras de que as observações de WASP-121 b variavam com o tempo. Embora efeitos instrumentais possam permanecer, os dados mostraram uma aparente mudança no ponto quente [5] do exoplaneta e diferenças na assinatura espectral (que sinaliza a composição química da atmosfera do exoplaneta) indicativas de uma atmosfera em mudança. Em seguida, a equipe usou modelos computacionais altamente sofisticados para tentar entender o comportamento observado da atmosfera do exoplaneta.

No lado da modelagem da dinâmica atmosférica, muitas simulações de Júpiter quente no  passado sugeriram a presença de uma única região quente estacionária a leste do ponto subsolar — particularmente entre os níveis de pressão de ∼104 Pa a ∼103 Pa. No entanto, em alta resolução, regiões quentes altamente dinâmicas, variavelmente moldadas (e muitas vezes múltiplas) emergem em vez disso. Nessas simulações, um par de tempestades gigantes de longa duração se forma perto do ponto subsolar, inicialmente deriva em direção a um dos terminadores, depois se traduz rapidamente para o oeste depois disso — atravessando o lado noturno e finalmente se rompendo ou se dissipando perto do terminador oriental; esse ciclo é quase periódico. Ao longo de cada ciclo, manchas de ar quente (bem como frio) são misturadas caoticamente em grandes áreas e distâncias pelas tempestades e frentes afiadas ao redor delas. Mistura semelhante devido a tempestades e frentes foi inicialmente prevista em simulações de alta resolução (com uma condição inicial diferente da dos estudos acima) , que sugeriram que padrões climáticos levariam a uma variabilidade potencialmente observável em exoplanetas quentes.

Os modelos indicaram que seus resultados poderiam ser explicados por padrões climáticos quase periódicos, especificamente ciclones massivos que são criados e destruídos repetidamente como resultado da enorme diferença de temperatura entre o lado voltado para a estrela e o lado escuro do exoplaneta. Este resultado representa um avanço significativo na observação potencial de padrões climáticos em exoplanetas.

“A alta resolução de nossas simulações da atmosfera do exoplaneta nos permite modelar com precisão o clima em planetas ultraquentes como WASP-121 b”, explicou Jack Skinner, um pesquisador pós-doutorado no Instituto de Tecnologia da Califórnia e co-líder deste estudo. “Aqui, damos um passo significativo ao combinar restrições observacionais com simulações atmosféricas para entender o clima variável no tempo desses planetas.” “O clima na Terra é responsável por muitos aspectos de nossa vida, e, de fato, a estabilidade de longo prazo do clima da Terra e seu clima é provavelmente a razão pela qual a vida pôde surgir em primeiro lugar”, acrescentou Changeat.

“Estudar o clima dos exoplanetas é vital para entender a complexidade das atmosferas dos exoplanetas, especialmente em nossa busca por exoplanetas com condições Habitáveis.”  Observações futuras com o Hubble e outros telescópios poderosos, incluindo o Webb, fornecerão uma visão mais profunda dos padrões climáticos em mundos distantes: e, em última análise, possivelmente encontrar exoplanetas com climas e padrões climáticos estáveis de longo prazo.

Fonte:

https://esahubble.org/news/heic2401/