Desinflando um Planeta: A Perda de Hélio na Atmosfera de Wasp-107b

Título: Helium in the Eroding Atmosphere of an Exoplanet

Autores: J. J. Spake, D. K. Sing, T. M. Evans e colaboradores

Instituição do primeiro autor: Universidade de Exeter

Status: Publicado em Nature [acesso fechado] (link para acesso livre no arXiv aqui)

Hidrogênio e hélio são os dois elementos mais abundantes em nosso Sistema Solar (e no Universo como um todo). Eles são os principais constituintes do nosso Sol e também dominam as atmosferas de nossos planetas gigantes gasosos. De fato, a nossa Terra também possui uma camada de hélio. Como estes elementos são tão comuns, esperamos que exoplanetas gigantes gasosos tenham grandes quantidades de hidrogênio e hélio em suas atmosferas. De fato, em 2000, Seager e Sasselov previram que deveríamos ser capazes de observar hélio e outros átomos nas atmosferas desses planetas em um futuro próximo.

Embora tenhamos detectado diretamente hidrogênio nas atmosferas de alguns exoplanetas, o hélio ainda continua um mistério. Isso não quer dizer que esses exoplanetas não sejam compostos ou não tenham hélio, o hélio é simplesmente difícil de ser detectado. Por ser um gás nobre, o hélio é difícil de excitar para diferentes níveis de energia atômica, o que é necessário para a formação de uma linha espectral de emissão ou absorção. Mesmo assim, o hélio tem apenas algumas linhas espectrais que podemos observar no espectro. Além disso, se o gás for difuso (baixa densidade), o sinal pode não ser forte o suficiente para que possamos observar, mesmo se a absorção/emissão estiver ocorrendo. Por causa dessas dificuldades, precisamos de duas condições iniciais para uma detecção de hélio na atmosfera de exoplanetas:

  • O planeta deve receber uma grande quantidade de fótons energéticos (ultravioleta; UV) de sua estrela mãe para povoar os níveis excitados em um átomo de hélio.
  • O planeta também deve ter uma grande quantidade de hélio na região mais alta de sua atmosfera e estar em uma região da atmosfera que seja “transparente” (maior reflexão). Uma atmosfera opaca impediria qualquer sinal do hélio de nos alcançar.

Vários exoplanetas se enquadram no critério acima, no entanto, nenhuma observação de hélio foi detectada até que Wasp-107b surgiu. Dezoito anos após o hélio ser predito na atmosfera dos exoplanetas gigantes, os autores do trabalho discutio hoje realizaram a primeira detecção de hélio na atmosfera de um exoplaneta!

Wasp-107b: O Alvo Perfeito

Wasp-107b é um Júpiter quente altamente inflado com um raio semelhante ao de Júpiter, mas apenas com 12% da sua massa. Ele orbita uma estrela muito ativa uma vez a cada 5,7 dias, colocando-a próxima e direta no caminho de um grande número de fótons UV. Wasp-107b só precisava de uma quantidade significativa de hélio em sua atmosfera externa para tornar-se o alvo perfeito.

Os autores usaram a técnica da espectroscopia de transmissão, feito pelo Telescópio Espacial Hubble, para fazer essa detecção. A Figura 1 mostra o espectro de transmissão deste planeta, que também contém amplos recursos de absorção de água. No entanto, em torno do comprimento de onda em 10830 angstroms, há um pico estreito que corresponde ao hélio na atmosfera do exoplaneta. Usando modelos atmosféricos, os autores determinaram que a absorção de água está ocorrendo em níveis de pressão de vários milibares. A absorção de hélio, por outro lado, ocorre a pressões em torno de 1 nano bar. Para referência, a pressão da estratosfera da Terra é de cerca de 1 milibar.

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Figura 1. Espectro de transmissão de Wasp-107b. Símbolos em azul claro foram dados que os autores observaram, enquanto os símbolos pretos foram observados em Kreidberg et al. 2018. A linha vermelha é um modelo teórico assumindo que a absorção é devidos à água. O símbolo azul marinho brilhante com a linha dourada representa a detecção de hélio e o modelo subsequente da linha. Este modelo ocorre em uma altitude relativa muito maior do que as características da água, ilustrando que há hélio acima da camada de água na atmosfera. (Figura 1 do artigo).

O Que o Hélio em Wasp-107 Pode nos Dizer Sobre sua Atmosfera?

A partir de seus modelos, os autores também descobriram que, a baixas pressões, não apenas o hélio é excitado pelos fótons estelares como ele também está sendo retirado do planeta. A Wasp-107b está perdendo sua atmosfera a uma taxa de 0,1-4% de sua massa total a cada bilhão de anos. O hélio está sendo varrido a velocidades de mais de cem km/s. Nessas velocidades, Wasp-107b não tem chance de desenvolver uma cauda em forma de cometa em espiral, semelhante ao que vimos em outros planetas. Em vez disso, como mostrado na Figura 2, o hélio está sendo soprado diretamente para longe do planeta.

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Figura 2. Parâmetros de entrada para o modelo de hélio mostrado na Figura 1. No painel à esquerda vemos a densidade numérica do hélio em diferentes estados (linhas azuis). O estado singleto do hélio é o estado mais baixo, enquanto o estado excitado neste modelo é o tripleto de hélio. Os autores também incluíram o hélio ionizado, um estado que ocorre quando o hélio perde elétrons. Essas densidades abrangem várias ordens de magnitude, mesmo fora das distâncias de mais de 8 raios planetários, como consequencia da perda de hélio. A densidade do estado singleto diminui mais rapidamente à medida que é constantemente convertida para o estado tripleto. O painel à direita ilustra a cauda de hélio de Wasp-107b em azul enquanto o planeta orbita sua estrela. Em vez de uma cauda em espiral que se move junto com a órbita, esta cauda é soprada completamente para trás do planeta. (Figura 4 no artigo).

Será que Wasp-107b em algum dia não terá mais uma atmosfera e, em vez disso, será apenas um estéril núcleo rochoso orbitando uma estrela? Modelos futuros e observações de maior resolução serão necessários para responder a essa pergunta. Mas com esta detecção de hélio, os autores lançaram as bases para uma nova ferramenta na observação das atmosferas mais externas dos exoplanetas. Com o potencial de fazer várias detecções de hélio, seja com nossos atuais instrumentos de alta resolução no solo, com o satélite espacial Hubble ou com o próximo Telescópio Espacial James Webb (JWST), estamos posicionados para explorar novas regiões das atmosferas dos exoplanetas e, assim, entender melhor os processos de fuga de elementos/compostos que governam planetas quentes.

 


Foi utilizado como base o texto em inglês: Deflating a Planet: Helium Loss in the Atmosphere of Wasp-107b. Autora: Jessica Roberts

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