Previsão para a semana: fortes ventos em uma anã marrom

Título: A measurement of the wind speed on a brown dwarf

Autores: Katelyn. N. Allers, Johanna M. Vos, Beth A. Biller, Peter K. G. Williams

Instituição do primeiro autor: Department of Physics and Astronomy, Bucknell University, EUA

Status: publicado na Science

A imagem padrão de Júpiter, que você provavelmente já viu por aí, é de uma esfera com listras em tons de marrom e laranja, com uma grande mancha vermelha. Essas listras são nuvens, que orbitam na atmosfera do planeta em faixas latitudinais.

Júpiter e outros planetas gigantes gasosos apresentam essas nuvens em faixas fluindo ao redor do planeta em ventos zonais (isto é, ao longo de linhas latitudinais), e acredita-se que anãs marrons devem apresentar o mesmo fenômeno. Anãs marrons são objetos com tamanhos entre o de um planeta gigante e o de uma estrela. Sua massa não é alta suficiente para que realizem fusão de hidrogênio em hélio, como o Sol, mas às vezes pode ocorrer fusão de deutério ou lítio. Esses objetos são particularmente interessantes para estudos de atmosferas, já que conectam a física estelar e a física planetária!

Modelos de atmosfera sugerem que nuvens zonais podem surgir como consequência de variações em como diferentes regiões esfriam e interagem com o interior do planeta gigante gasoso ou da anã marrom. Estudar a velocidade dos ventos na atmosfera desses objetos poderia ajudar a calibrar nossos modelos e melhorar nossa compreensão desse fenômeno. A velocidade do vento para alguns planetas gigantes gasosos já foi medida por meio do estudo do efeito Doppler em espectros obtidos quanto o planeta transita em frente à estrela. O problema é que isso só foi feito para o caso específico de um planeta em rotação sincronizada; isto é, que tem período orbital igual ao de rotação e portanto sempre mostra a mesma face para a estrela (similar à Lua ao orbitar a Terra). Nesse cenário, a velocidade dos ventos é regida pela redistribuição de calor entre o lado quente, voltado para a estrela, e o lado noturno, que é mais frio. Esse é um caso específico e não é representativo de um objeto típico. O artigo de hoje apresenta uma nova maneira de medir a velocidade do vento em exoplanetas e anãs marrons e apresenta os resultados do primeiro teste desse método.

A ideia do método é medir o período de rotação do interior do planeta e, separadamente, o período de rotação da atmosfera superior. Como observado em Júpiter no nosso Sistema Solar, há uma relação entre esses períodos de rotação T e a velocidade v do vento na superfície, escalada pelo raio R do objeto:

vvento = 2πR (1/Tatmosfera – 1/Tinterior)

A rotação do interior do planeta, que cria uma magnetosfera, pode ser medida em ondas de rádio, enquanto a atmosfera superior pode ser medida no infravermelho e no ótico. A magnetosfera das anãs marrons se origina da mesma forma, de modo que a técnica também se aplica a elas. Períodos no rádio e no ótico já foram medidos com precisão superior a um minuto usando variabilidade fotométrica, portanto a tecnologia para isso também já existe!

Os autores testaram essa técnica na anã marrom conhecida como 2MASS J10475385+2124234 (abreviada como 2MASS J1047+21). É uma anã tipo T, uma classe de anãs marrons frias caracterizada por uma forte absorção de metano. 2MASS J1047+21 está a cerca de 10 parsecs (ou 30 anos-luz) de distância de nós, tem uma massa de 16 a 68 vezes a massa de Júpiter e uma temperatura estimada em 880 K. Para medir o período no infravermelho, que caracteriza a rotação da atmosfera superior, os autores utilizaram o (agora aposentado) telescópio espacial Spitzer, como ilustrado na Figura 1. A presença de nuvens na atmosfera causa uma variação periódica no brilho da anã marrom, conforme o objeto rotaciona e as nuvens entram e saem do nosso campo de visão. Medindo essa variação de brilho ao longo do tempo, os autores determinaram que o período de rotação no infravermelho é de 1,74 horas.

Figura 1: fotometria infravermelha da anã marrom 2MASS J1047+21. No painel A, a curva de luz observada (pontos verde-azul) é ajustada com um modelo (linha preta) com período de rotação de 1,74 horas. O painel B mostra os resíduos (dados observados menos o ajuste). Figura 1 no artigo.

Para medir o período em rádio, os autores utilizaram o Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) para monitorar pulsos de rádio vindos da atmosfera da anã marrom por várias noites, como mostrado na Figura 2. Esses dados revelaram um período de rádio entre 1,751 e 1,765 horas.

Figura 2: curva de luz em rádio da anã marrom 2MASS J1047+21 em três noites de observação. As linhas verticais indicam a hora de chegada de cada pulso, que são usadas para determinar o período de rotação. Figura 3 do artigo.

A partir desses dois períodos medidos, os autores estimaram que a velocidade dos ventos em 2MASS J1047+21 é 650 m/s (contudo, com uma grande incerteza de 310 m/s). Essa velocidade é mais alta do que geralmente vemos nos gigantes gasosos do sistema solar, o que é previsto pela teoria, indicando que essa técnica funciona! A técnica também deve ser aplicável a exoplanetas, embora eles provavelmente tenham emissões de rádio em frequências mais baixas. Parece que estamos um passo mais perto de observar o clima em outros planetas!


Adaptado de Today’s forecast? Gusty winds on a brown dwarf, escrito por Briley Lewis.

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