O Telescópio Espacial James Webb captura uma imagem espetacular de um planeta recém-nascido.

Se um único campo de estudo fosse escolhido como representativo da astronomia moderna, seria, sem dúvida, a busca por exoplanetas, com o objetivo final de encontrar vida em um deles ou mesmo, por que não, uma "segunda Terra". Todos esses mundos distantes (cerca de seis mil no momento da escrita deste texto) também oferecem uma enorme quantidade de informações sobre os intrincados mecanismos que governam a formação dos sistemas planetários, incluindo o nosso. Durante décadas, detectar esses corpos celestes elusivos tem sido uma tarefa hercúlea, mas a chegada do Telescópio Espacial James Webb, há quatro anos, marcou um ponto de virada. E agora, apesar de o telescópio já ter descoberto outros exoplanetas em 2022 , 2023 e 2024 , o James Webb acaba de obter uma imagem direta excepcional de um jovem exoplaneta incrustado no disco de detritos que circunda uma estrela recém-nascida. Esta é a imagem direta do menor exoplaneta detectado até agora usando esta técnica.

A descoberta, feita pela astrônoma francesa Anne-Marie Lagrange, do CNRS no Observatório Paris-PSL, em colaboração com a Universidade Grenoble-Alpes, e publicada recentemente na Nature , é mais um exemplo das capacidades aparentemente infinitas do telescópio espacial. Chamado de TWA 7 b, o novo planeta é o de menor massa já observado por imagens diretas, uma conquista que representa um grande avanço na detecção e caracterização de mundos cada vez menores e, portanto, mais semelhantes à Terra.

Mas por que a imagem direta de um exoplaneta é tão extraordinariamente difícil? A resposta está na luz intensa das estrelas e no pequeno tamanho dos planetas em comparação a elas. Observar um exoplaneta diretamente seria como tentar ver um vaga-lume dançando ao redor de um farol a vários quilômetros de distância. O farol é a estrela: seu brilho é tão intenso que ofusca completamente a luz fraca de quaisquer planetas que a orbitem. É por isso que a grande maioria dos exoplanetas descobertos até agora foram detectados por métodos indiretos, como o trânsito (quando um planeta passa na frente de sua estrela, causando um leve escurecimento de sua luz) ou a velocidade radial (que mede a "oscilação gravitacional" que um planeta causa em sua estrela hospedeira).

No entanto, essas técnicas não fornecem uma imagem real do planeta. Isso é algo que a imagem direta faz, buscando capturar a própria luz do planeta, refletida por sua estrela ou, mais comumente, seu próprio calor residual, que pode ser observado no infravermelho.

E é aqui que as extraordinárias capacidades infravermelhas de James Webb entram em ação. Para superar o problema da explosão estelar, Lagrange e seus colegas usaram um novo coronógrafo (fabricado na França) instalado no Instrumento de Infravermelho Médio (MIRI) do telescópio, um poderoso detector infravermelho. Assim como durante um eclipse solar total, a Lua bloqueia sua luz e permite que os cientistas estudem sua atmosfera invisível (a coroa), um coronógrafo é essencialmente um disco opaco, ou máscara, colocado no telescópio para bloquear a luz de uma estrela distante enquanto a observa. Essa manobra permite que a luz muito mais fraca de objetos próximos à estrela, como exoplanetas ou discos de detritos, seja detectada pelo instrumento infravermelho.

O coronógrafo do MIRI em Webb, no entanto, não é uma antena simples, mas incorpora uma série de tecnologias avançadas, incluindo um coronógrafo do tipo Lyot e três coronógrafos com máscara de fase de quatro quadrantes (4QPM). Essas máscaras permitem um "ângulo de trabalho interno" muito menor. Isso significa que podem bloquear a luz da estrela a distâncias angulares muito próximas, possibilitando a observação de planetas orbitando muito mais perto de sua estrela do que antes.

O processo de observação com o coronógrafo do MIRI é extremamente meticuloso. Após bloquear a maior parte da luz estelar, ainda há traços de luz refletida que podem interferir nas observações. Para eliminar essa luz residual e obter uma imagem mais nítida do exoplaneta, os astrônomos utilizam a técnica de "subtração de estrela de referência". Isso envolve observar uma estrela de referência próxima, sem planetas, usando exatamente a mesma configuração de instrumento. Ao subtrair a imagem da estrela de referência da imagem da estrela-alvo (aquela com o exoplaneta), os pesquisadores conseguem isolar o sinal tênue do planeta.

Como se não bastasse, Webb também emprega uma técnica chamada Imagem Diferencial Angular (ADI), que envolve girar levemente o telescópio durante a observação. Isso faz com que o planeta se mova no campo de visão enquanto os padrões de luz residual do telescópio permanecem estáticos, facilitando sua eliminação posterior. Graças à combinação desses métodos, o telescópio pode detectar objetos até um milhão de vezes mais tênues que a própria estrela.

Os autores do estudo concentraram sua atenção nos alvos que pareciam mais favoráveis ​​à obtenção de imagens diretas. Tratava-se de sistemas jovens, com apenas alguns milhões de anos, que podiam ser observados "do polo" (ou seja, seus discos vistos "de cima"), o que é muito importante porque planetas recém-formados nesses discos ainda são quentes e, portanto, emitem mais luz infravermelha, tornando-os "mais brilhantes" para os instrumentos do Webb do que planetas mais velhos e frios seriam.

Entre os vários discos que podiam ser observados de frente, dois atraíram particularmente a atenção dos pesquisadores, visto que observações anteriores já haviam revelado estruturas concêntricas em forma de anéis em seu interior. Isso levou à suspeita de que essas estruturas fossem o resultado da interação gravitacional entre planetas não identificados e pequenos corpos rochosos e gelados ("planetesimais"), precursores de planetas que colidem e se aglomeram em discos protoplanetários. Um desses sistemas, denominado TWA 7, destacou-se dos demais por seus três anéis claramente distinguíveis, um dos quais é particularmente estreito e circundado por duas áreas vazias com quase nenhuma matéria.

A imagem obtida por James Webb revelou uma fonte de luz infravermelha bem no coração do estreito anel. Após descartar cuidadosamente a possibilidade de vieses observacionais (como a presença de uma estrela de fundo ou um artefato de instrumento), Lagrange e sua equipe concluíram que se tratava, muito provavelmente, de um exoplaneta. Simulações detalhadas confirmaram a hipótese: um planeta com a massa e a posição estimadas poderia de fato criar um anel fino e uma "lacuna" exatamente onde foi observado.

O novo exoplaneta, denominado TWA 7 b, é realmente leve em comparação com os mundos gigantes que foram fotografados diretamente até agora. Na verdade, ele é até dez vezes mais leve do que os exoplanetas fotografados diretamente anteriormente. Sua massa, comparável à de Saturno, é aproximadamente 30% da de Júpiter, o planeta mais massivo do nosso Sistema Solar. Isso significa que, embora ainda seja um gigante gasoso, o TWA 7 b é significativamente menos massivo do que muitos dos "Júpiteres quentes" ou "superJúpiteres" que dominaram as listas de exoplanetas fotografados diretamente. Por exemplo, sistemas como o HR 8799, que abriga quatro planetas gigantes fotografados diretamente (o primeiro dos quais, Beta Pictoris b, foi descoberto em 2008), são significativamente mais massivos do que o TWA 7 b. Até mesmo o Epsilon Indi Ab , descoberto em 2024 pelo próprio Webb com seu instrumento MIRI e um dos exoplanetas mais frios dos quais temos uma imagem direta, tem várias vezes a massa de Júpiter.

O novo resultado, portanto, marca uma nova etapa na detecção de exoplanetas cada vez menores por meio de imagens diretas. Mundos que são mais semelhantes à Terra do que aos gigantes gasosos do nosso Sistema Solar. Embora TWA 7 b não seja uma "super-Terra", sua massa de aproximadamente 0,3 vezes a de Júpiter (cerca de 100 vezes a massa da Terra) o coloca em uma faixa significativamente menor do que a dos gigantes detectados anteriormente pelo mesmo método.

Os limites do Telescópio Espacial James Webb, no entanto, ainda não foram atingidos. De fato, os cientistas esperam capturar imagens de planetas com apenas 10% da massa de Júpiter e, portanto, ainda mais próximos da massa da Terra. Somam-se a isso as novas capacidades que as futuras gerações de telescópios, projetados especificamente para a busca de exoplanetas, terão. Não é de surpreender que os astrônomos já tenham uma lista dos sistemas mais promissores para essas observações futuras.