Os astrônomos agora têm uma maneira de entender como os planetas gigantes gasosos se formam, graças a uma descoberta feita pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST) de “isotopólogos” de amônia, moléculas que possuem os mesmos elementos, mas com diferentes números de nêutrons.
O núcleo de um átomo é composto por prótons e nêutrons, e embora o número de prótons dentro de um elemento não mude – por exemplo, átomos de carbono sempre contêm seis prótons e átomos de nitrogênio sempre têm sete prótons – o número de nêutrons pode variar. Essa variação cria isótopos. Quando os isótopos fazem parte de uma molécula maior, chamamos isso de isotopólogos.
Por exemplo, o isótopo carbono-12 (12C) contém seis prótons e seis nêutrons, enquanto o isótopo carbono-13 (13C) é mais pesado, com seis prótons e sete nêutrons. Essa relação de 12C para 13C é comumente usada para inferir detalhes sobre a história dos sistemas planetários, porque os diferentes isótopos têm propriedades e origens ligeiramente diferentes.
Embora muitos isótopos tenham sido detectados nas atmosferas dos planetas do sistema solar, as grandes distâncias para os exoplanetas significam que, até agora, apenas os isótopos 12C e 13C foram detectáveis em atmosferas exoplanetárias.
No entanto, isso está mudando graças ao JWST e a uma equipe liderada pelos astrônomos David Barrado, Paul Mollière e Polychronis Patapis do Centro de Astrobiologia em Madrid.
Eles usaram o Instrumento de Médio Infravermelho (MIRI) do JWST para detectar isotopólogos de amônia na atmosfera da anã marrom fria conhecida como WISE-J1828, localizada a 32,5 anos-luz de distância na direção da constelação de verão de Lyra, a Lira. A anã marrom é tão fria que tem uma temperatura estimada de apenas 100 graus Celsius.
Para esclarecer, uma anã marrom não é tecnicamente um planeta; é uma “estrela fracassada”, ou um objeto não tão massivo o suficiente para iniciar reações de fusão nuclear de hidrogênio dentro de seu núcleo. No entanto, as anãs marrons são um bom indicador para alguns planetas gigantes.
O espectro do MIRI de WISE-J1828 encontrou vapor d’água, metano e amônia. Os três são elementos básicos das atmosferas de gigantes gasosos e anãs marrons, mas o que foi incomum aqui foi uma distorção nas linhas espectrais que indicavam dois isotopólogos diferentes de amônia.
A amônia é uma molécula feita de um átomo de nitrogênio e três átomos de hidrogênio, daí sua fórmula química NH3. Em um isotopólogo, o átomo de nitrogênio contido na amônia tem sete prótons e sete nêutrons, e por isso esse isotopólogo de amônia é chamado de 14NH3. Outro isotopólogo contém sete prótons e oito nêutrons, e é chamado de 15NH3.
As observações do JWST mediram uma proporção de 670 para 1 de 14NH3 em relação ao 15NH3. Ou seja, para cada isótopo de nitrogênio 15N, existem 670 isótopos de 14N na atmosfera de WISE-J1828.
Em nosso sistema solar, essa proporção é muito mais baixa. Por exemplo, na Terra, a proporção é apenas de 272 para 1. Acredita-se que o excesso de 15N de nosso planeta tenha vindo de cometas, que naturalmente têm concentrações mais altas de 15N. Acredita-se que os planetas do sistema solar, incluindo os gigantes gasosos como Júpiter, tenham se formado de baixo para cima através do processo de acreção de corpos menores como cometas. Esperaríamos que um objeto que se formasse de cima para baixo, através do colapso gravitacional direto de uma nuvem de gás molecular, não tivesse passado por esse processo de acreção e, portanto, contivesse menos 15N.
As anãs marrons, assim como as estrelas, se formam dessa maneira de cima para baixo, e as medições do MIRI dos isotopólogos de amônia apoiam isso. Também se suspeita que, enquanto Júpiter e Saturno se formaram de baixo para cima, alguns gigantes gasosos enormes, especialmente aqueles longe de sua estrela mãe, podem ter se formado de cima para baixo. Se uma anã marrom é uma estrela fracassada, esses gigantes gasosos seriam mais como anãs marrons fracassadas.
O truque é provar que um planeta se formou de cima para baixo. Agora, WISE-J1828 provou, em princípio, que isotopólogos de amônia que atuam como um rastreador para o processo de formação de cima para baixo podem ser identificados pelo JWST. A próxima etapa, portanto, é direcionar o telescópio espacial para alguns exoplanetas gigantes para ver se seu instrumento MIRI pode identificar a proporção de seus isotopólogos de amônia e finalmente resolver um dos maiores mistérios da formação planetária: Como os gigantes planetas realmente nascem?
