O Telescópio Espacial James Webb (JWST) acaba de marcar outra estreia: um retrato molecular e químico detalhado dos céus de um mundo distante.

A gama de instrumentos altamente sensíveis do telescópio foi apontada para a atmosfera de um "Saturno quente" - um planeta tão massivo quanto Saturno orbitando uma estrela a cerca de 700 anos-luz de distância - conhecido como WASP-39 b. Embora o JWST e outros telescópios espaciais, incluindo o Hubble e o Spitzer, tenham revelado anteriormente ingredientes isolados da atmosfera deste planeta escaldante, as novas leituras fornecem um menu completo de átomos, moléculas e até sinais de química ativa e nuvens.

"A clareza dos sinais de várias moléculas diferentes nos dados é notável", diz Mercedes López-Morales, astrônoma do Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian e um dos cientistas que contribuíram para os novos resultados.

"Tínhamos previsto que veríamos muitos desses sinais, mas ainda assim, quando vi os dados pela primeira vez, fiquei pasmo", acrescenta López-Morales.

Os dados mais recentes também dão uma dica de como essas nuvens em exoplanetas podem parecer de perto: quebradas em vez de um único cobertor uniforme sobre o planeta.

As descobertas são um bom presságio para a capacidade do JWST de conduzir uma ampla gama de investigações em exoplanetas – planetas em torno de outras estrelas – que os cientistas esperavam. Isso inclui sondar as atmosferas de planetas rochosos menores, como os do sistema TRAPPIST-1.

"Observamos o exoplaneta com vários instrumentos que juntos fornecem uma ampla faixa do espectro infravermelho e uma panóplia de impressões digitais químicas inacessíveis até o JWST", disse Natalie Batalha, astrônoma da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, que contribuiu e ajudou a coordenar a nova pesquisa. "Dados como esses são uma virada de jogo."

O conjunto de descobertas é detalhado em um conjunto de cinco artigos científicos recém-submetidos, disponíveis no site de pré-impressão arXiv. Entre as revelações sem precedentes está a primeira detecção na atmosfera de um exoplaneta de dióxido de enxofre, uma molécula produzida a partir de reações químicas desencadeadas pela luz de alta energia da estrela-mãe do planeta. Na Terra, a camada protetora de ozônio na atmosfera superior é criada de maneira semelhante.

"A surpreendente detecção de dióxido de enxofre finalmente confirma que a fotoquímica molda o clima de 'Saturnos quentes'", diz Diana Powell, pesquisadora do Hubble da NASA, astrônoma do Centro de Astrofísica e membro principal da equipe que fez a descoberta do dióxido de enxofre. "O clima da Terra também é moldado pela fotoquímica, então nosso planeta tem mais em comum com 'Saturnos quentes' do que sabíamos anteriormente."

Jea Adams, estudante de pós-graduação em Harvard e pesquisadora do Centro de Astrofísica, analisou os dados que confirmaram o sinal do dióxido de enxofre.

“Como pesquisador em início de carreira no campo de atmosferas de exoplanetas, é muito emocionante fazer parte de uma detecção como esta”, diz Adams. "O processo de análise desses dados parecia mágico. Vimos indícios desse recurso nos primeiros dados, mas esse instrumento de maior precisão revelou claramente a assinatura do SO 2 e nos ajudou a resolver o quebra-cabeça."

A uma temperatura estimada de 1.600 graus Fahrenheit e uma atmosfera composta principalmente de hidrogênio, acredita-se que o WASP-39 b não seja habitável. O exoplaneta foi comparado a Saturno e Júpiter, com uma massa semelhante a Saturno, mas um tamanho geral tão grande quanto Júpiter. Mas o novo trabalho aponta o caminho para encontrar evidências de vida potencial em um planeta habitável.

A proximidade do planeta com sua estrela hospedeira – oito vezes mais perto do que Mercúrio está do nosso Sol – também o torna um laboratório para estudar os efeitos da radiação de estrelas hospedeiras em exoplanetas. Um melhor conhecimento da conexão estrela-planeta deve trazer uma compreensão mais profunda de como esses processos criam a diversidade de planetas observados na galáxia.

Outros constituintes atmosféricos detectados pelo JWST incluem sódio, potássio e vapor d'água , confirmando observações anteriores de telescópios espaciais e terrestres, além de encontrar recursos aquáticos adicionais, em comprimentos de onda mais longos, que nunca foram vistos antes.

O JWST também viu o dióxido de carbono em resolução mais alta, fornecendo o dobro de dados relatados em suas observações anteriores. Enquanto isso, o monóxido de carbono foi detectado, mas as assinaturas óbvias de metano e sulfeto de hidrogênio estavam ausentes dos dados. Se presentes, essas moléculas ocorrem em níveis muito baixos, uma descoberta significativa para os cientistas que fazem inventários da química dos exoplanetas para entender melhor a formação e o desenvolvimento desses mundos distantes.

Capturar um espectro tão amplo da atmosfera do WASP-39 b foi um tour de force científico, já que uma equipe internacional de centenas analisou dados independentemente de quatro dos modos de instrumentos finamente calibrados do JWST. Eles então fizeram intercomparações detalhadas de suas descobertas, produzindo resultados ainda mais sutis cientificamente.

JWST vê o universo em luz infravermelha , na extremidade vermelha do espectro de luz além do que os olhos humanos podem ver; que permite ao telescópio captar impressões digitais químicas que não podem ser detectadas na luz visível.

Cada um dos três instrumentos ainda tem alguma versão do "IR" de infravermelho em seu nome: NIRSpec, NIRCam e NIRISS.

Para ver a luz do WASP-39 b, o JWST rastreou o planeta enquanto ele passava na frente de sua estrela, permitindo que parte da luz da estrela fosse filtrada pela atmosfera do planeta. Diferentes tipos de produtos químicos na atmosfera absorvem diferentes cores do espectro da luz das estrelas, então as cores que faltam dizem aos astrônomos quais moléculas estão presentes.

Ao analisar com tanta precisão a atmosfera de um exoplaneta , os instrumentos JWST tiveram um desempenho muito além das expectativas dos cientistas – e prometem uma nova fase de exploração entre a ampla variedade de exoplanetas na galáxia.

López-Morales diz: "Estou ansioso para ver o que encontramos nas atmosferas de pequenos planetas terrestres".