Pesquisadores do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, na Califórnia, estão literalmente cozinhando atmosferas alienígenas na Terra. Em um novo estudo, os cientistas do JPL, usaram um forno de altas temperaturas, para aquecer uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono a mais de 1100 graus Celsius, a temperatura aproximada da lava que sai dos vulcões. O objetivo foi simular condições que podem ser encontradas nas atmosferas de uma classe especial de exoplanetas, chamada de Júpiteres Quentes.
Os Júpiteres Quentes são gigantes gasosos que possuem uma órbita bem próxima da sua estrela, diferente de qualquer planeta encontrado no Sistema Solar. Enquanto que a Terra leva 365 dias para dar uma volta ao redor do Sol, Júpiteres Quentes costumam levar menos de 10 dias para orbitar suas estrelas. Essa proximidade da estrela significa que as temperaturas variam de 530 a 2800 graus Celsius, ou até mesmo atinja temperaturas mais elevadas. Em comparação, um dia quente na superfície de Mercúrio, que leva 88 dias para dar uma volta ao redor do Sol, a temperatura chega a 430 graus Celsius.
"Embora seja impossível simular exatamente em laboratório esses ambientes de exoplanetas, nós podemos chegar bem perto:", disse o principal cientista do JPL, Murphy Gudipati, que liderou o grupo que conduziu o novo estudo, publicado no Astrophysical Journal.
A equipe começou com uma mistura química simples, com a maior parte sendo gás hidrogênio e com 0.3 por cento de monóxido de carbono. Essas moléculas são extremamente comuns no universo e nos primeiros dias do Sistema Solar, e elas podem de forma bem razoável compor a atmosfera de um Júpiter Quente. Então a equipe aqueceu a mistura entre 330 e 1230 graus Celsius.
A equipe também expôs a mistura do laboratório para uma alta dose de radiação ultravioleta, similar a o que um Júpiter Quente experimenta ao orbitar sua estrela. A luz ultravioleta provou ser um ingrediente potente. Ela foi altamente responsável por alguns dos resultados mais surpreendentes do estudo sobre a química que pode estar acontecendo na atmosfera desses planetas.
Júpiteres Quentes são grandes para os padrões de planetas, e eles irradiam mais luz do que planetas mais frios. Esses fatores têm permitido que os astrônomos pudessem adquirir mais informações sobre suas atmosferas do que da maior parte dos outros tipos de exoplanetas. Essas observações revelam que a atmosfera de muitos Júpiteres Quentes são opacas em grandes altitudes. Embora as nuvens possam explicar a opacidade, elas se tornam menos e menos sustentáveis à medida que pressão diminui, e a opacidade tem sido observada onde a pressão atmosférica é muito baixa.
Os cientistas estão procurando por possíveis explicações além de nuvens, e os aerossóis, partículas sólidas suspensas na atmosfera podiam ser uma dessas explicações. Contudo, de acordo com os pesquisadores do JPL, os cientistas não sabiam até agora como os aerossóis poderiam se desenvolver nas atmosferas dos Júpiteres Quentes. No novo experimento, adicionando luz ultravioleta, à mistura química quente, foi a solução.
"Esse resultado muda a maneira como nós interpretamos a atmosfera cheia de névoa dos Júpiteres Quentes", disse Benjamin Fleury, um cientista pesquisador do JPL e principal autor do estudo. "Além disso, nós queremos estudar as propriedades desses aerossóis. Nós queremos entender melhor como eles se formam, como eles absorvem a luz e como eles respondem às mudanças no ambiente. Toda informação pode ajudar os astrônomos a entenderem o que eles estão vendo quando observam esses planetas".
O estudo tem outra surpresa: as reações químicas produziram significantes quantidade de dióxido de carbono e água. Enquanto que o vapor d'água foi encontrado nas atmosferas dos Júpiteres Quentes, os cientistas esperam que essa preciosa molécula se formem somente quando exista 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. O monóxido de carbono contém um átomo de carbono e um átomo de oxigênio. E enquanto algum dióxido de carbono, (um átomo de carbono e dois átomos de oxigênio), se forma sem a adição da radiação ultravioleta, as reações são aceleradas com a adição da luz da estrela simulada.
"Esses novos resultados são imediatamente úteis para se interpretar o que nós observamos nas atmosferas de Júpiteres Quentes", disse o cientista de exoplanetas do JPL, Mark Swan, um coautor do estudo. "Nós assumimos que a temperatura domina a química nessas atmosferas, mas isso mostra que nós precisamos observar em como a radiação participa do processo".
Com a próxima geração de telescópios, como o Telescópio Espacial James Webb da NASA, programado para ser lançado em Março de 2021, os cientistas podem produzir os primeiros perfis químicos detalhados da atmosfera de exoplanetas e é possível que alguns desses primeiros sejam Júpiteres Quentes. Esses estudos ajudarão os cientistas a aprenderem como outros sistemas solares se formam e como eles são diferentes ou similares ao nosso.
Para os pesquisadores do JPL, o trabalho está apenas no começo. Diferente de um forno típico, o do experimento tem como objetivo selar o gás e prevenir vazamentos e contaminação e isso permite que os pesquisadores possam controlar a pressão do gás à medida que a temperatura sobe. Com esse equipamento, eles podem agora simular atmosferas de exoplanetas que chegam a temperaturas próximas dos 1600 graus Celsius.
"Tem sido um grande desafio descobrir como desenvolver e operar esse sistema com sucesso, já que a maior parte dos componentes padrão como vidro, e alumínio derretem nessas temperaturas", disse Bryana Henderson, cientista pesquisadora do JPL, e coautora do estudo. "Nós ainda estamos aprendendo como romper algumas barreiras enquanto lidamos de forma segura com processos químicos em laboratório. Mas no fim, os resultados que nós obtemos faz valer todo o esforço".