Pesquisadores do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, estão preparando uma atmosfera alienígena aqui na Terra. Em um novo estudo, os cientistas do JPL usaram um "forno" de alta temperatura para aquecer uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono a mais de 2.000 graus Fahrenheit (1.100 graus Celsius), sobre a temperatura da lava derretida. O objetivo era simular condições que poderiam ser encontradas nas atmosferas de uma classe especial de exoplanetas (planetas fora do nosso sistema solar) chamados de "Júpiteres quentes".
Júpiteres quentes são gigantes gasosos que orbitam muito perto de sua estrela-mãe, ao contrário de qualquer um dos planetas do nosso sistema solar. Enquanto a Terra leva 365 dias para orbitar o Sol, os Júpiteres quentes orbitam suas estrelas em menos de 10 dias. Sua proximidade com uma estrela significa que suas temperaturas podem variar de 1.000 a 5.000 graus Fahrenheit (530 a 2.800 graus Celsius) ou até mais quentes . Em comparação, um dia quente na superfície de Mercúrio (que leva 88 dias para orbitar o Sol) atinge cerca de 800 graus Fahrenheit (430 graus Celsius).
"Embora seja impossível simular exatamente no laboratório esses ambientes exoplanares rigorosos, podemos chegar muito perto", disse o principal cientista do JPL, Murthy Gudipati, que lidera o grupo que conduziu o novo estudo, publicado no mês passado no Astrophysical Journal .
A equipe começou com uma mistura química simples de principalmente hidrogênio gasoso e 0,3% de gás monóxido de carbono. Essas moléculas são extremamente comuns no universo e nos primeiros sistemas solares, e poderiam razoavelmente compor a atmosfera de um Júpiter quente. Em seguida, a equipe aqueceu a mistura entre 620 e 1.240 graus Fahrenheit (330 e 1.230 graus Celsius).
A equipe também expôs a fermentação do laboratório a uma alta dose de radiação ultravioleta - semelhante ao que um Júpiter quente experimentaria orbitando tão perto de sua estrela-mãe. A luz UV provou ser um ingrediente potente. Foi em grande parte responsável por alguns dos resultados mais surpreendentes do estudo sobre a química que poderia estar ocorrendo nessas atmosferas tostadas.
Júpiteres quentes são grandes para os padrões planetários e irradiam mais luz do que os planetas mais frios. Tais fatores permitiram aos astrônomos coletar mais informações sobre suas atmosferas do que a maioria dos outros tipos de exoplanetas. Essas observações revelam que muitas atmosferas quentes de Júpiter são opacas em altas altitudes. Embora as nuvens possam explicar a opacidade, elas se tornam menos e menos sustentáveis à medida que a pressão diminui, e a opacidade foi observada onde a pressão atmosférica é muito baixa.
Os cientistas têm procurado explicações potenciais além das nuvens, e os aerossóis - partículas sólidas suspensas na atmosfera - podem ser um. No entanto, de acordo com os pesquisadores do JPL, os cientistas anteriormente não sabiam como os aerossóis poderiam se desenvolver nas atmosferas quentes de Júpiter . No novo experimento, adicionar luz UV à mistura química quente fez o truque.
O pequeno disco de safira à direita mostra aerossóis orgânicos formados dentro de um forno de alta temperatura. O disco à esquerda não foi usado. Crédito de imagem: NASA / JPL-Caltech
"Esse resultado muda a maneira como interpretamos essas atmosferas quentes de Júpiter", disse Benjamin Fleury, cientista pesquisador do JPL e principal autor do estudo. "No futuro, queremos estudar as propriedades desses aerossóis. Queremos entender melhor como eles se formam, como eles absorvem a luz e como reagem a mudanças no ambiente. Todas essas informações podem ajudar os astrônomos a entender o que estão vendo quando eles observam esses planetas ".
O estudo rendeu outra surpresa: as reações químicas produziram quantidades significativas de dióxido de carbono e água. Embora o vapor de água tenha sido encontrado em atmosferas quentes de Júpiter, os cientistas em geral esperam que essa preciosa molécula se forme apenas quando há mais oxigênio do que carbono. O novo estudo mostra que a água pode se formar quando o carbono e o oxigênio estão presentes em quantidades iguais. (Monóxido de carbono contém um átomo de carbono e um átomo de oxigênio.) E enquanto um pouco de dióxido de carbono (um carbono e dois átomos de oxigênio) se formou sem a adição de radiação UV, as reações aceleraram com a adição da luz estelar simulada.
"Esses novos resultados são imediatamente úteis para interpretar o que vemos nas atmosferas quentes de Júpiter", disse Mark Swain, cientista do exoplaneta do JPL, co-autor do estudo. "Nós assumimos que a temperatura domina a química nessas atmosferas, mas isso mostra que precisamos observar como a radiação desempenha um papel."
Com ferramentas de última geração como o Telescópio Espacial James Webb da NASA , com lançamento previsto para 2021, os cientistas podem produzir os primeiros perfis químicos detalhados de atmosferas de exoplanetas, e é possível que alguns desses primeiros sujeitos sejam Júpiteres quentes. Esses estudos ajudarão os cientistas a aprender como outros sistemas solares se formam e como eles são semelhantes ou diferentes aos nossos.
Para os pesquisadores do JPL, o trabalho está apenas começando. Ao contrário de um forno típico, o deles sela o gás com força para evitar vazamentos ou contaminação, e permite que os pesquisadores controlem a pressão do gás à medida que a temperatura aumenta. Com esse hardware, eles agora podem simular atmosferas de exoplanetas em temperaturas ainda mais altas: perto de 1.600 graus Celsius.
"Tem sido um desafio contínuo descobrir como projetar e operar este sistema com sucesso, já que a maioria dos componentes padrão, como vidro ou alumínio, derretem a essas temperaturas", disse Bryana Henderson, cientista pesquisadora do JPL, coautora do estudo. "Ainda estamos aprendendo a empurrar esses limites enquanto lidamos com segurança com esses processos químicos no laboratório. Mas, no final das contas, os resultados empolgantes que saem desses experimentos valem todo o esforço extra."
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