Uma “super-Terra” próxima está a dar aos cientistas uma rara oportunidade de observar diretamente a superfície exposta de um planeta rochoso e distante que tem pouca semelhança com a Terra. O planeta, denominado LHS 3844 b, é um mundo quente, escuro e sem atmosfera, com uma composição superficial e condições geológicas mais próximas das da Lua ou de Mercúrio do que de planetas semelhantes à Terra, mostram as últimas observações.
A equipe de pesquisa científica usou o instrumento de infravermelho médio MIRI no Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA para conduzir observações detalhadas do lado solar do planeta. A pesquisa foi liderada por Sebastian Ziba, que fez doutorado no Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) em Heidelberg, Alemanha, e envolveu Laura Kreidberg, diretora do MPIA e investigadora principal do projeto. Em comparação com o foco anterior nas atmosferas dos exoplanetas, este trabalho avança ainda mais a fronteira da investigação para a "geologia dos exoplanetas" - tentando restringir diretamente a composição da superfície e a história evolutiva dos planetas rochosos fora do sistema solar. Resultados relevantes foram publicados na revista Nature Astronomy.
LHS 3844 b é um planeta rochoso com um raio aproximadamente 30% maior que o da Terra. Ele orbita uma estrela anã vermelha fria a uma distância extremamente próxima, com um período orbital de apenas cerca de 11 horas, e a distância entre o planeta e sua estrela-mãe é de apenas cerca de três diâmetros estelares. Uma órbita tão estreita faz com que o planeta fique bloqueado pelas marés, com um lado sempre brilhando em direção à estrela e o outro lado permanentemente na escuridão. A sua superfície solar é tão quente quanto cerca de 1.000 Kelvin (cerca de 725 graus Celsius), e todo o sistema planetário está a apenas 48,5 anos-luz de distância da Terra.
Graças à excelente sensibilidade do telescópio Webb, os investigadores conseguiram medir diretamente o brilho da radiação térmica proveniente da superfície rochosa do planeta. “O que vimos foi uma rocha escura, quente e estéril, sem absolutamente nenhuma atmosfera detectável”, disse Kreidberg sobre as observações. Como os telescópios não conseguem resolver diretamente a superfície circular do planeta, os investigadores usaram técnicas de “eclipse secundário” e “curva de fase” para inverter a radiação infravermelha emitida pela superfície solar do planeta, rastreando as fracas flutuações no brilho total de todo o sistema à medida que a órbita muda.
O MIRI observa o sistema na banda de 5–12 mícrons e divide ainda mais esta banda em subbandas mais finas para obter a distribuição espectral no infravermelho médio da radiação da superfície planetária. A equipe também incorporou dados anteriores do Telescópio Espacial Spitzer na análise para melhorar a robustez do ajuste espectral. Ao comparar o brilho em diferentes comprimentos de onda com modelos teóricos, os investigadores foram capazes de examinar uma variedade de potenciais combinações de materiais de superfície, desde a crosta granítica da Terra até basaltos de estilo lunar e lavas derivadas do manto.
Os cálculos excluem explicitamente cenários de superfície semelhantes aos da crosta continental da Terra. A crosta granítica rica em silicatos da Terra é geralmente formada por longas placas tectônicas e reciclagem de magma, muitas vezes exigindo a participação de água líquida. A fusão e a diferenciação repetidas permitem que os minerais leves flutuem gradualmente para a superfície. Ziba observou que o espectro de LHS 3844 b não mostra nenhum sinal desta crosta granítica rica em silicatos, o que significa que as placas tectónicas ao estilo da Terra nunca ocorreram no planeta ou deixaram de funcionar há muito tempo. Isto também implica que o conteúdo interno de água do planeta é extremamente baixo, o que é essencialmente diferente dos "planetas semelhantes à Terra" no sentido habitual.
Em vez disso, as observações apoiam um cenário de superfície “dominado pelo basalto”. O modelo mais consistente com os dados é uma grande área de rocha basáltica formada pela solidificação de magma derivado do manto, semelhante às vastas planícies basálticas da Terra ou aos “maria” da Lua. Essas rochas são tipicamente ricas em magnésio e ferro e contêm uma variedade de minerais de silicato de ferro-magnésio, como a olivina. O ajuste mostrou que camadas mais grossas de rocha ou cascalho também combinariam bem com as observações, enquanto uma superfície composta apenas de poeira fina seria demasiado brilhante para corresponder às observações atuais.
Devido à falta de uma barreira atmosférica, a superfície de LHS 3844 b está completamente exposta à radiação da estrela-mãe e ao bombardeio de meteoróides, e sofre por muito tempo com o chamado "intemperismo espacial". Estes processos quebram gradualmente a rocha dura em pequenas partículas semelhantes ao regolito lunar e enriquecem a sua superfície com ferro e carbono, tornando o material mais escuro e mais endotérmico. Ziba destacou que é este regolito escuro desgastado que torna as propriedades ópticas e infravermelhas gerais da superfície do planeta mais consistentes com as observações.
Com base nos dados disponíveis, a equipe propôs dois cenários possíveis para a evolução da superfície. A primeira é que a superfície do planeta é extensivamente coberta por rochas basálticas relativamente “jovens”, sugerindo que a atividade vulcânica recente ou em curso tem trazido rocha derretida fresca para a superfície. O segundo tipo é a “velha” superfície dominada pela meteorização espacial de longo prazo: a antiga planície de magma foi repetidamente processada por irradiação e impactos ao longo de centenas de milhões de anos, e é coberta por uma espessa camada escura de meteorização como a Lua ou Mercúrio. A julgar pela morfologia espectral, esta última cena de “silêncio de longo prazo” é mais consistente com as observações.
Um indicador chave para diferenciar os dois cenários é a presença de atividade vulcânica contínua no planeta. Em muitos corpos celestes geologicamente ativos, os vulcões liberam grandes quantidades de gás, dos quais o dióxido de enxofre (SO₂) é um dos traçadores típicos. Se LHS 3844 b tiver forte atividade vulcânica contemporânea, o MIRI deveria, teoricamente, ser capaz de identificar bandas de absorção características para SO₂ no espectro do infravermelho médio. No entanto, as observações não detectaram tais características, o que reduz grandemente a possibilidade de actividade vulcânica recente, mas em vez disso apoia a explicação de que a sua superfície tem estado “a arrefecer e adormecida” durante muito tempo, tornando-a mais próxima de Mercúrio na aparência.
A fim de esclarecer ainda mais a verdadeira aparência deste planeta, a equipe de pesquisa planejou mais observações de acompanhamento do JWST. Uma das principais tarefas é medir a radiação térmica e as propriedades de reflexão da superfície do planeta em diferentes ângulos de visão, usando a forma como a luz é espalhada para distinguir superfícies rochosas ásperas de materiais relativamente lisos ou soltos. Este tipo de tecnologia tem tido sucesso no estudo de asteroides no sistema solar e, agora sendo transplantado para o campo dos exoplanetas, espera-se que permita aos cientistas determinar se a camada superficial de LHS 3844 b é uma laje rochosa inteira, uma planície de lava ou uma espessa acumulação de pó e detritos.
Kreidberg disse que a equipe está confiante de que o uso do mesmo método não apenas revelará as propriedades da crosta terrestre de LHS 3844 b, mas também fornecerá informações “ao nível da superfície” para mais exoplanetas rochosos no futuro. As observações do JWST usadas aqui são do Projeto de Observação Geral 1846, intitulado "Em Busca de Sinais de Vulcões e Geodinâmica no Exoplaneta Rochoso Quente LHS 3844 b", para o qual ela atua como cientista-chefe e Ren Ru atua como co-líder. As instituições participantes nesta pesquisa estão localizadas nos Estados Unidos, Alemanha, China e outros países, incluindo o Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, o Instituto de Tecnologia da Califórnia, o Laboratório de Propulsão a Jato, a Universidade de Pequim, a Universidade Estadual da Pensilvânia, o Goddard Space Flight Center da NASA e muitas universidades e instituições de pesquisa europeias.
O instrumento MIRI responsável por esta observação foi desenvolvido por uma equipa conjunta de vários países europeus, incluindo Bélgica, Dinamarca, França, Alemanha, Irlanda, Países Baixos, Espanha, Suécia, Suíça e Reino Unido. O trabalho relevante foi realizado com o financiamento de instituições nacionais de investigação científica de cada país. Na Alemanha, os principais financiadores são a Sociedade Max Planck e o Centro Aeroespacial Alemão, e as unidades participantes incluem o Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg, a Universidade de Colônia e a Companhia Hensold. Sendo uma das mais importantes instalações de astronomia espacial da atualidade, o Telescópio Espacial James Webb é liderado pela NASA, com a participação da Agência Espacial Europeia e da Agência Espacial Canadiana, e está empenhado em abrir novas janelas nos campos da formação inicial de galáxias, nascimento de estrelas e planetas, e atmosfera de exoplanetas e propriedades da superfície. Antes disso, o Telescópio Espacial Spitzer lançou as bases para a investigação de exoplanetas através de observações infravermelhas, e os seus projetos relacionados foram operados pelo Laboratório de Propulsão a Jato do Instituto de Tecnologia da Califórnia em nome da NASA.