O Telescópio Espacial James Webb capturou suas primeiras imagens diretas de dióxido de carbono em um planeta fora do sistema solar em HR 8799, um sistema multiplanetário a 130 anos-luz de distância que há muito tempo é um alvo importante para estudos de formação de planetas.

As observações fornecem fortes evidências de que os quatro planetas gigantes do sistema se formaram da mesma forma que Júpiter e Saturno, construindo lentamente núcleos sólidos. Elas também confirmam que o Webb pode fazer mais do que inferir a composição atmosférica a partir de medições de luz estelar — ele pode analisar diretamente a química das atmosferas de exoplanetas.

"Ao detectar essas fortes características de dióxido de carbono, mostramos que há uma fração considerável de elementos mais pesados, como carbono, oxigênio e ferro, nas atmosferas desses planetas", disse William Balmer, astrofísico da Universidade Johns Hopkins que liderou o trabalho. "Dado o que sabemos sobre a estrela que eles orbitam, isso provavelmente indica que eles se formaram por acreção do núcleo, o que para planetas que podemos ver diretamente é uma conclusão emocionante."

Uma análise das observações, que também incluíram um sistema a 96 anos-luz de distância chamado 51 Eridani, aparece no The Astrophysical Journal .

HR 8799 é um sistema jovem com cerca de 30 milhões de anos, uma fração dos 4,6 bilhões de anos do nosso sistema solar. Ainda quentes devido à sua formação violenta, os planetas HR 8799 emitem grandes quantidades de luz infravermelha que dão aos cientistas dados valiosos sobre como sua formação se compara à de estrelas ou anãs marrons.

Planetas gigantes podem tomar forma de duas maneiras: construindo lentamente núcleos sólidos que atraem gás, como nosso sistema solar, ou colapsando rapidamente do disco de resfriamento de uma estrela jovem em objetos massivos. Saber qual modelo é mais comum pode dar aos cientistas pistas para distinguir entre os tipos de planetas que eles encontram em outros sistemas.

"Nossa esperança com esse tipo de pesquisa é entender nosso próprio sistema solar, a vida e nós mesmos em comparação a outros sistemas exoplanetários, para que possamos contextualizar nossa existência", disse Balmer. "Queremos tirar fotos de outros sistemas solares e ver como eles são semelhantes ou diferentes quando comparados ao nosso. A partir daí, podemos tentar ter uma noção de quão estranho nosso sistema solar realmente é — ou quão normal."

Muito poucos exoplanetas foram diretamente fotografados, pois planetas distantes são milhares de vezes mais fracos que suas estrelas. Ao capturar imagens diretas em comprimentos de onda específicos acessíveis apenas com Webb, a equipe está abrindo caminho para observações mais detalhadas para determinar se os objetos que eles veem orbitando outras estrelas são realmente planetas gigantes ou objetos como anãs marrons, que se formam como estrelas, mas não acumulam massa suficiente para iniciar a fusão nuclear.

"Temos outras linhas de evidências que sugerem que esses quatro planetas HR 8799 estão se formando usando essa abordagem de baixo para cima", disse Laurent Pueyo , astrônomo do Space Telescope Science Institute que coliderou o trabalho. "Quão comum isso é para planetas de longo período que podemos obter imagens diretamente? Ainda não sabemos, mas estamos propondo mais observações do Webb, inspiradas por nossos diagnósticos de dióxido de carbono, para responder a essa pergunta."

A conquista foi possível graças aos coronógrafos de Webb, que bloqueiam a luz de estrelas brilhantes como acontece em um eclipse solar para revelar mundos que de outra forma estariam ocultos. Isso permitiu que a equipe procurasse luz infravermelha em comprimentos de onda que revelam gases específicos e outros detalhes atmosféricos.

Visando a faixa de comprimento de onda de 3-5 micrômetros, a equipe descobriu que os quatro planetas HR 8799 contêm mais elementos pesados ??do que se pensava anteriormente, outra dica de que eles se formaram da mesma forma que os gigantes gasosos do nosso sistema solar. As observações também revelaram a primeira detecção do planeta mais interno, HR 8799 e, em um comprimento de onda de 4,6 micrômetros, e 51 Eridani b em 4,1 micrômetros, mostrando a sensibilidade de Webb em observar planetas fracos perto de estrelas brilhantes.

Em 2022, uma das principais técnicas de observação de Webb detectou indiretamente dióxido de carbono em outro exoplaneta, chamado WASP-39 b, rastreando como sua atmosfera alterava a luz das estrelas quando passava na frente de sua estrela.

"É isso que os cientistas têm feito com planetas em trânsito ou anãs marrons isoladas desde o lançamento do JWST", disse Pueyo.

Rémi Soummer , que dirige o Russell B. Makidon Optics Laboratory no Space Telescope Science Institute e anteriormente liderou as operações do coronógrafo do Webb, acrescentou: "Sabíamos que o JWST poderia medir as cores dos planetas externos em sistemas de imagens diretas. Estamos esperando há 10 anos para confirmar que nossas operações finamente ajustadas do telescópio também nos permitiriam acessar os planetas internos. Agora os resultados estão prontos, e podemos fazer ciência interessante com eles."

A equipe espera usar os coronógrafos do Webb para analisar mais planetas gigantes e comparar sua composição com modelos teóricos.

"Esses planetas gigantes têm implicações bem grandes", disse Balmer. "Se você tem esses planetas enormes agindo como bolas de boliche correndo pelo seu sistema solar, eles podem realmente atrapalhar, proteger ou fazer um pouco dos dois com planetas como o nosso, então entender mais sobre sua formação é um passo crucial para entender a formação, sobrevivência e habitabilidade de planetas semelhantes à Terra no futuro."

Outros autores incluem Jens Kammerer, do Observatório Europeu do Sul; Marshall D. Perrin, Julien H. Girard, Roeland P. van der Marel, Jeff A. Valenti, Joshua D. Lothringer, Kielan KW Hoch e Rèemi Soummer do Space Telescope Science Institute; Jarron M. Leisenring, da Universidade do Arizona; Kellen Lawson, do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA; Henry Dennen, do Amherst College; Charles A. Beichman do Instituto de Ciência de Exoplanetas da NASA; Geoffrey Bryden, Jorge Llop-Sayson do Laboratório de Propulsão a Jato; Nikole K. Lewis, da Universidade Cornell; Mathilde Mâlin da Johns Hopkins; Isabel Rebollido, Emily Rickman da Agência Espacial Europeia; Mark Clampin, da sede da NASA; e C. Matt Mountain da Associação de Universidades para Pesquisa em Astronomia.

Esta pesquisa foi apoiada pela NASA por meio da bolsa 80NSSC20K0586, com apoio adicional da NASA por meio do projeto JWST/NIRCam, número do contrato NAS5-02105, e da instalação central Advanced Research Computing at Hopkins (ARCH) (rockfish.jhu.edu), que é apoiada pela bolsa número OAC1920103 da National Science Foundation (NSF). Com base em observações com o NASA/ESA/CSA JWST, obtidas no Space Telescope Science Institute, que é operado pela AURA Inc., sob o contrato NAS 5-03127 da NASA.