Uma trilha de amônia para exoplanetas

Uma trilha de amônia para exoplanetas

Carimbo de data / hora: 7 de novembro de 2023 8h16
Nó Fonte: 2371776
07 de novembro de 2023 (Notícias do Nanowerk) Revelam a origem do vinho, a idade dos ossos e dos fósseis e servem como ferramentas de diagnóstico na medicina. Isótopos e isotopólogos – moléculas que diferem apenas na composição dos seus isótopos – também desempenham um papel cada vez mais importante na astronomia. Por exemplo, a proporção de carbono-12 (12C) para carbono-13 (13C) os isótopos na atmosfera de um exoplaneta permitem aos cientistas inferir a distância a que o exoplaneta orbita a sua estrela central.

Principais lições

  • Os pesquisadores detectaram isotopólogos de amônia na atmosfera de uma anã marrom, fornecendo novos insights sobre a formação planetária.
  • O instrumento Mid-InfraRed do Telescópio Espacial James Webb foi crucial na identificação dos isotopólogos da amônia 14NH3 e 15NH3.
  • A proporção destes isotopólogos oferece uma nova ferramenta de diagnóstico para estudar os mecanismos por trás da formação de gigantes gasosos e exoplanetas.
  • O baixo teor de 1828NH15 do WISE J3 sugere que ele pode ter se formado através de um processo diferente do processo de acreção nuclear visto em nosso Sistema Solar.
  • As descobertas apontam para o colapso gravitacional que desempenha um papel significativo na formação de gigantes gasosos, particularmente aqueles com grandes órbitas em torno das suas estrelas.
    • Impressão artística da anã marrom WISE J1828 Impressão artística da anã marrom WISE J1828, um dos gigantes gasosos mais frios conhecidos fora do nosso Sistema Solar. Sua atmosfera é dominada pela absorção de água, metano e vapor de amônia. (Imagem: ETH Zurique/Polychronis Patapis)

    A pesquisa

    Até agora, 12C e 13O C ligado ao monóxido de carbono foram os únicos isotopólogos que puderam ser medidos na atmosfera de um exoplaneta. Agora, uma equipe de pesquisadores conseguiu detectar isotopólogos de amônia na atmosfera de uma anã marrom fria. Como a equipe acaba de relatar no jornal Natureza (“Detecção do isotopólogo da amônia 15NH3 na atmosfera de uma anã marrom fria”), a amônia poderia ser medida na forma de 14NH3 e 15NH3. Os astrofísicos Polychronis Patapis e Adrian Glauser, membros do Departamento de Física e também do Centro Nacional de Competência em Pesquisa (NCCR) PlanetS, estiveram envolvidos no estudo – Patapis como um dos primeiros autores.

    Em busca de amônia

    As anãs marrons estão em algum lugar entre estrelas e planetas: elas se assemelham a planetas gigantes gasosos em muitos aspectos, e é por isso que podem ser usadas como um sistema modelo para estudar gigantes gasosos. No seu trabalho, Patapis e colegas observaram uma anã castanha, chamada WISE J1828, que fica a 32.5 anos-luz de distância da Terra; no céu noturno, está localizado na constelação de Lyra, a lira. O WISE J1828 não pode ser visto a olho nu: com uma temperatura efetiva (ou seja, a temperatura de um corpo negro que emitiria a mesma quantidade de energia que o objeto observado) de apenas 100 °C, é frio demais para a fusão do hidrogênio. acontecer e enviar luz até a Terra. Para detectar esta estrela anã ultrafria da classe espectral Y, os espelhos do Telescópio Espacial James Webb (JWST) foram virados na direção da lira no verão passado. O Mid-InfraRed Instrument (MIRI), um detector infravermelho instalado a bordo do JWST, possibilitou revelar os isotopólogos da amônia no WISE J1828. Na faixa de comprimento de onda entre 4.9 e 27.9 µm, o Espectrômetro de Média Resolução (MRS) do MIRI registrou um espectro da anã marrom onde, além da amônia, os pesquisadores observaram moléculas de água e metano, cada uma com bandas de absorção características. Em particular, a amônia causa uma atenuação do sinal que chega ao detector na faixa de comprimento de onda entre 9 e 13 µm. Os isotopólogos da amônia também podem ser resolvidos espectroscopicamente: se as moléculas de amônia não consistirem no isótopo de nitrogênio mais comum 14N, que está ligado a três átomos de hidrogênio, mas de 15N mais três átomos de hidrogênio, o nêutron adicional no núcleo de nitrogênio garante que haja uma torção no espectro que pode ser explicada pela presença de 15NH3.

    Um novo diagnóstico para exoplanetas

    A proporção dos dois isotopólogos da amônia medidos na atmosfera do WISE J1828 é especialmente emocionante: como explicam Patapis e colegas, o 14NH3-A-15NH3 ratio é um rastreador, ou seja, um indicador que pode ser usado no futuro para estudar a formação de estrelas e planetas. É uma nova ferramenta que ajudará a testar diferentes mecanismos de formação conhecidos para gigantes gasosos. Gigantes gasosos como Júpiter ou Saturno não são especiais do nosso Sistema Solar. Estes corpos desempenham um papel importante no estudo dos exoplanetas: aparecem precocemente durante a formação das estrelas e são, portanto, um factor crucial que determina se e como se desenvolvem planetas mais pequenos e mais leves. Até agora, não houve uma resposta definitiva à questão de como se formam os enormes gigantes gasosos. Os especialistas desenvolveram diferentes teorias, mas não está claro se estes planetas se formam por acreção nuclear – como a maioria dos outros planetas – ou como resultado do colapso gravitacional no disco protoplanetário em torno da estrela progenitora. A proporção de isotopólogos registrada por Patapis e colegas de trabalho pode fornecer novas pistas. Na Terra, existem 272 14N átomos para cada 15átomo N. O jornal informa que 14NH3-A-15NH3 A proporção medida na atmosfera do WISE J1828 é 670, o que significa que a anã marrom acumulou menos nitrogênio-15 no curso de sua formação em comparação com a da Terra e de outros planetas como Júpiter. Na verdade, a abundância de 15N é mais escasso no WISE J1828 do que em todos os corpos celestes do nosso Sistema Solar.

    Diferentes cenários para a formação de planetas

    Os processos do chamado fracionamento isotópico, ou seja, a mudança na abundância de isótopos, não são totalmente compreendidos, mas acredita-se que os impactos dos cometas contribuam para um enriquecimento de nitrogênio-15 porque os cometas têm uma quantidade significativamente maior. 15Conteúdo N. Acredita-se também que os impactos dos cometas sejam um alicerce planetário fundamental no Sistema Solar: os cometas contribuíram para a formação da atmosfera da Terra, embora não esteja totalmente claro até que ponto. Um baixo 15NH3 O conteúdo do espectro do WISE J1828 sugere que a anã castanha não seguiu o caminho habitual de formação planetária – nomeadamente, acreção nuclear – mas formou-se como uma estrela, um cenário que aponta para um colapso gravitacional. É provável que este tipo de instabilidade gravitacional desempenhe um papel importante na formação de gigantes gasosos, especialmente aqueles que se movem em torno da sua estrela em grandes órbitas. Na verdade, este é outro ponto significativo discutido no artigo: o 14NH3-A-15NH3 A proporção parece variar muito dependendo da distância entre um gigante gasoso e sua estrela, como mostrado por simulações de um planeta em formação entre as linhas de gelo de amônia e nitrogênio molecular. Na astronomia, as linhas de gelo indicam as distâncias mínimas da estrela central nas quais a temperatura é baixa o suficiente para que um determinado composto químico volátil mude para uma forma sólida. Segundo Patapis e colegas, a observação de um aumento 14NH3-A-15NH3 A proporção poderia indicar acúmulo planetário de gelo entre as linhas de gelo de amônia e nitrogênio. Os astrónomos acabaram de ganhar uma ferramenta adicional para estudar exoplanetas diretamente observáveis. O rasto de amoníaco só se tornou tangível graças ao JWST, confirmando mais uma vez o enorme valor e desempenho incomparável deste telescópio espacial.

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