Um novo estudo mostra como a química na atmosfera de um exoplaneta pode, em alguns casos, revelar se a temperatura em sua superfície é muito alta para a água em estado líquido.

Os planetas que têm entre 1,7 e 3,5 vezes o diâmetro da Terra são às vezes chamados de "sub-Netuno". Não há planetas nesta faixa de tamanho no sistema solar da Terra, mas os cientistas pensam que muitos sub-Neptunes têm atmosferas densas, potencialmente ocultando superfícies rochosas ou oceanos líquidos. Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech

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Em nosso sistema solar, os planetas são pequenos e rochosos (como a Terra) ou grandes e gasosos (como Netuno). Mas, em torno de outras estrelas, os astrônomos encontraram planetas que se situam no meio - mundos ligeiramente maiores do que a Terra, mas menores do que Netuno. Esses planetas podem ter superfícies rochosas ou oceanos de água líquida, mas a maioria provavelmente terá atmosferas muitas vezes mais espessas que a da Terra e opacas.

No novo estudo, aceito no Astrophysical Journal Letters, os pesquisadores mostram como a química dessas atmosferas podem revelar pistas sobre o que está por baixo, especificamente, quais planetas são quentes demais para suportar oceanos de água líquida. Como a água líquida é um ingrediente necessário para a vida como a conhecemos, essa técnica pode ajudar os cientistas a restringir sua busca por exoplanetas potencialmente habitáveis, ou planetas além do nosso sistema solar. Mais de 4.500 exoplanetas foram confirmados em nossa galáxia, com mais de 7.700 candidatos ainda a serem confirmados, mas os cientistas estimam que centenas de bilhões de exoplanetas existam em nossa galáxia.

Alguns telescópios espaciais da NASA equipados com espectrômetros podem revelar a composição química da atmosfera de um exoplaneta. Um perfil químico da Terra não seria capaz de revelar fotos de, digamos, vacas ou humanos na superfície do planeta, mas mostraria dióxido de carbono e metano produzidos por mamíferos e oxigênio produzido por árvores. Nenhum desses produtos químicos por si só seria um sinal de vida, mas em combinação eles apontariam para a possibilidade de que nosso planeta seja habitado.

O novo artigo mostra quais produtos químicos podem apontar para oceanos ocultos em exoplanetas entre 1,7 e 3,5 vezes o diâmetro da Terra. Como Netuno tem cerca de quatro vezes o diâmetro da Terra, esses planetas às vezes são chamados de "sub-Netuno".

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Uma espessa atmosfera em um planeta sub-Netuno reteria o calor na superfície e aumentaria a temperatura. Se a atmosfera atingir um certo limite, normalmente cerca de 1.430 graus Fahrenheit (770 graus Celsius) - ela passará por um processo chamado equilíbrio termoquímico que muda seu perfil químico. Depois que ocorre o equilíbrio termoquímico, e assumindo que a atmosfera do planeta é composta principalmente de hidrogênio, o que é típico de exoplanetas gasosos - o carbono e o nitrogênio estarão predominantemente na forma de metano e amônia.

Esses produtos químicos estariam em grande parte faltando em uma atmosfera mais fria e mais fina, onde o equilíbrio termoquímico não ocorreu. Nesse caso, as formas dominantes de carbono e nitrogênio seriam dióxido de carbono e moléculas de dois átomos de nitrogênio.

Um oceano de água líquida sob a atmosfera deixaria sinais adicionais, de acordo com o estudo, incluindo a ausência de quase toda amônia perdida, que seria dissolvida no oceano. O gás amônia é altamente solúvel em água, dependendo do pH do oceano (seu nível de acidez). Em uma ampla gama de níveis plausíveis de pH oceânico, os pesquisadores descobriram que a atmosfera deveria estar virtualmente livre de amônia quando há um oceano enorme embaixo dela.

Além disso, haveria mais dióxido de carbono do que monóxido de carbono na atmosfera; em contraste, após o equilíbrio termoquímico, deve haver mais monóxido de carbono do que dióxido de carbono, se houver quantidades detectáveis ??de qualquer um deles.

“Se virmos as assinaturas do equilíbrio termoquímico, concluiremos que o planeta é quente demais para ser habitável”, disse Renyu Hu, pesquisador do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, que liderou o estudo. “Vice-versa, se não virmos a assinatura do equilíbrio termoquímico e também as assinaturas do gás dissolvido em um oceano de água líquida, nós as consideraremos como uma forte indicação de habitabilidade. ”

O telescópio espacial James Webb da NASA, com lançamento previsto para 18 de dezembro, carregará um espectrômetro capaz de estudar a atmosfera de exoplanetas. Cientistas como Hu estão trabalhando para prever que tipos de perfis químicos o Webb verá nessas atmosferas e o que eles podem revelar sobre esses mundos distantes. O observatório tem capacidade para identificar sinais de equilíbrio termoquímico em atmosferas sub-Netuno, em outras palavras, sinais de um oceano escondido, conforme identificado no artigo.

À medida que o Webb descobrir novos planetas ou fazer estudos mais aprofundados de planetas conhecidos, esta informação pode ajudar os cientistas a decidir quais deles são dignos de observações adicionais, especialmente se os cientistas querem ter como alvo planetas que possam abrigar vida.

“Não temos evidências de observação direta para nos dizer quais são as características físicas comuns dos sub-Neptunes”, disse Hu. “Muitos deles podem ter atmosferas de hidrogênio massivas, mas alguns ainda podem ser 'planetas oceânicos'. Espero que este artigo motive muito mais observações em um futuro próximo para descobrir. ”

O JPL é gerenciado pela NASA e pela Caltech em Pasadena, Califórnia.

Mais informações: 

Desvendando oceanos envoltos em sub-Neptunes temperados por meio de assinaturas de trânsito de equilíbrio de solubilidade vs. termoquímica de gás, arXiv: 2108.04745 [astro-ph.EP] arxiv.org/abs/2108.04745

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Referência:

COFIELD, Calla. How to Find Hidden Oceans on Distant Worlds? Use Chemistry. NASA - Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Calif., 27, out. 2021. California Institute of Technology. Disponível em: <https://www.jpl.nasa.gov/news/how-to-find-hidden-oceans-on-distant-worlds-use-chemistry>. Acesso em: 29, out. 2021.