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Pergunte a Ethan: Quantos planetas o Kepler da NASA perdeu?

Ilustração do telescópio espacial Kepler, da NASA. Crédito da imagem: NASA / Kepler.

Descobriu milhares. Mas quantos mais existem por aí?

Quão vastos devem ser esses Orbes, e quão insignificante esta Terra, o Teatro sobre o qual todos os nossos poderosos Desígnios, todas as nossas Navegações e todas as nossas Guerras são realizadas, é quando comparado a eles. – Christiaan Huygens

Quantos planetas existem em nossa galáxia? É uma pergunta que, 30 anos atrás, era pura especulação, pois ainda não tínhamos encontrado o primeiro planeta além do nosso próprio Sistema Solar. Avançando para os dias atuais, encontramos diretamente milhares deles, com a esmagadora maioria descoberta pela missão Kepler da NASA. Mas, apesar dos sucessos de Kepler e de todas essas novas descobertas, o mais notável são todos os planetas que ele perdeu. Quantos são isso? Rudy Siegel (sem parentesco) quer saber:

Como o Kepler usa o método de trânsito para detectar exoplanetas, quantos estão faltando devido ao alinhamento não eclíptico?

A resposta tem duas partes: estamos perdendo mais de 99% deles, e muitos (talvez até a maioria) dos que estamos perdendo não têm nada a ver com alinhamento.

Uma ilustração do conjunto completo de planetas descobertos por Kepler. Observe as tendências para mundos maiores e mais próximos. Crédito da imagem: NASA/W. Stenzel.

A maneira como a espaçonave Kepler da NASA funcionou foi observando uma pequena região de nossa galáxia, dia após dia, por aproximadamente três anos, até que sua missão principal terminasse. Ao olhar diretamente para o cano de um de nossos braços espirais, mesmo com seu campo de visão estreito, ele monitorou cerca de 150.000 estrelas, procurando pequenas mudanças periódicas no brilho. Em particular, se uma estrela escurecer em uma pequena quantidade por um curto período de tempo, voltar à sua luminosidade original novamente e, em seguida, exibir a mesma queda de magnitude e duração novamente, isso seria sinalizado como um planeta candidato.

O trânsito principal (L) e a detecção do exoplaneta mergulhando atrás da estrela-mãe (R) do exoplaneta Kepler KOI-64.

Isso é conhecido como o método de trânsito da descoberta de exoplanetas. Os sistemas solares podem existir em qualquer orientação em relação a nós, mas de vez em quando, encontraremos um em que seus planetas orbitam sua estrela de tal maneira que passam na frente da estrela em relação à nossa linha de visão. Existem outros fenômenos além de um planeta que podem causar uma única queda, incluindo:

• um asteróide passando ou objeto do cinturão de Kuiper dentro do nosso próprio Sistema Solar,
• um planeta rebelde nas profundezas do espaço interestelar,
• uma estrela binária onde uma eclipsa a outra,
• ou uma variabilidade interna na própria estrela, como uma grande e fria mancha solar.

Em 2006, Mercúrio transitou pelo Sol, mas a grande mancha solar visível no disco do Sol na verdade reduziu sua emissão de luz por um fator maior. Crédito da imagem: Williams College; Glenn Schneider, Jay Pasachoff e Suranjit Tilakawardane.

Mas se essa queda da mesma magnitude se repetir, principalmente se houver várias repetições, torna-se um excelente candidato para observação de acompanhamento com outro método. Cerca de metade dos candidatos planetários que Kepler identificou (até agora) eram planetas reais, com milhares deles até agora. De 150.000 estrelas no campo de visão de Kepler, isso não é muito. Como a intuição de Rudy lhe disse, o alinhamento tem muito a ver com isso.

O campo de visão do Kepler contém aproximadamente 150.000 estrelas, mas os trânsitos só foram observados em alguns milhares. Em teoria, quase todas essas estrelas deveriam ter planetas. Crédito da imagem: Pintura de Jon Lomberg, diagrama da missão Kepler adicionado pela NASA.

As estrelas podem ser entidades bastante grandes, mesmo as menores com mais de 100.000 km de diâmetro, mas as distâncias até os planetas são enormes, medindo de milhões a muitos bilhões de quilômetros em termos de seu semi-eixo maior. Em nosso próprio Sistema Solar, o planeta mais próximo do Sol é Mercúrio, e frequentemente transita na frente do Sol. Mas isso é apenas porque todos os planetas do nosso Sistema Solar estão aproximadamente no mesmo plano! Se estivéssemos fora do Sistema Solar, muito provavelmente estaríamos em uma orientação aleatória em relação ao nosso próprio plano eclíptico, e apenas de uma pequena porcentagem de direções seríamos capazes de ver um trânsito de Mercúrio.

Visto de uma orientação aleatória no espaço, e dados os tamanhos relativos e as distâncias orbitais de cada planeta em comparação com o Sol, podemos calcular as chances de haver um trânsito. Quanto mais longe do Sol você estiver, menores serão as chances. Esta análise não leva em consideração o tamanho ou o tempo. Crédito da imagem: E. Siegel.

Na verdade, podemos calcular isso para todos os planetas do Sistema Solar e descobrir que você obtém as melhores chances, sem surpresa, quanto mais próximo estiver de sua estrela-mãe. Mesmo Mercúrio tem menos de 1% de chances de ter seu plano alinhado com um observador, mas quando você chega tão longe quanto Júpiter, suas chances são de apenas 1 em 2.000. Claramente, a esmagadora maioria dos planetas é perdida pelo Kepler, e a orientação do trânsito é um grande fator nisso.

Mas também existem outros fatores que podem ser ainda mais importantes.

Kepler foi projetado para procurar trânsitos planetários, onde um grande planeta orbitando uma estrela poderia bloquear uma pequena fração de sua luz, reduzindo seu brilho em “até” 1%. Quanto menor um mundo é em relação à sua estrela-mãe, mais trânsitos você precisa para construir um sinal robusto. Crédito da imagem: Matt da equipe Zooniverse/Planet Hunters.

O tamanho também desempenha um papel enorme. Ou seja, o tamanho relativo do planeta em trânsito para sua estrela-mãe. Se um mundo bloquear cobre 1% da superfície de sua estrela-mãe durante um trânsito, o Kepler pode vê-lo facilmente. Se bloquear apenas 0,1%, seriam necessárias 10 órbitas para obter um sinal tão significativo quanto o caso anterior. 100% dos planetas do tamanho de Mercúrio são pequenos demais para serem vistos em torno de estrelas semelhantes ao Sol. Assim são todos os planetas do tamanho de Marte, por falar nisso. São os maiores planetas em torno das menores estrelas que são os mais fáceis de ver, e isso se alinha exatamente com o que o Kepler descobriu.

O número de planetas descobertos pelo Kepler classificados por sua distribuição de tamanho, a partir de maio de 2016, quando o maior número de novos exoplanetas foi lançado. Os mundos Super-Terra/mini-Netuno são de longe os mais comuns, com apenas uma pequena fração do mundo menor que a Terra. Crédito da imagem: NASA Ames / W. Stenzel.

Por fim, há a questão do tempo. A missão do Kepler durou apenas três anos, então ele só pode detectar vários trânsitos de um planeta que orbita em um tempo significativamente menor do que isso. Todos os gigantes gasosos em nosso Sistema Solar, apesar de seu tamanho, seriam completamente invisíveis para Kepler! Se juntarmos tudo isso, descobriremos que existem alguns ingredientes principais que precisam se unir para que o Kepler detecte um planeta em trânsito:

1. A orientação/alinhamento do sistema planetário deve ser bom o suficiente para que o mundo em questão transite pela face de sua estrela da nossa perspectiva.
2. O planeta deve ser grande o suficiente em relação ao tamanho da estrela para que a luz seja bloqueada para um determinado número de trânsitos para que uma detecção seja feita.
3. E o planeta deve estar perto o suficiente de sua estrela-mãe para ter transitado pelo menos duas vezes durante o período de observação.

Embora o Kepler tenha encontrado planetas do tamanho da Terra, a grande maioria dos descobertos são maiores que a Terra e mais próximos que a Terra de sua estrela-mãe, o que pode ser simplesmente porque esses são os mais fáceis de encontrar. Crédito da imagem: NASA Ames / W. Stenzel; Universidade de Princeton / T. Morton.

É muito tentador olhar para o número de planetas que vimos até agora e extrapolar quantos outros planetas deveriam estar presentes para todas as estrelas da galáxia, mas simplesmente não temos dados suficientes. Medimos uma enorme quantidade de mundos e, com base na relação distância/período orbital, podemos dizer com segurança que deve haver pelo menos 1.000 vezes mais planetas por estrela do que encontramos até agora. Mas para as porções externas dos sistemas solares, ainda não temos dados suficientes para saber. Usando os métodos atuais, teríamos que investigar por centenas de anos para saber o que era típico. Mas há outra esperança.

O projeto conceitual do telescópio espacial LUVOIR o colocaria no ponto L2 Lagrange, onde um espelho primário de 15,1 metros se desdobraria e começaria a observar o Universo, trazendo-nos incontáveis ​​riquezas científicas e astronômicas. Crédito da imagem: equipe de conceito da NASA / LUVOIR; Serge Brunier (fundo).

Telescópios da classe de 30 metros, como o Giant Magellan Telescope e o European Extremely Large Telescope, serão capazes de criar imagens potencialmente diretas de mundos externos a partir de sua luz refletida, enquanto a máquina dos sonhos definitiva, LUVOIR, um telescópio de classe de 10 a 15 metros, forneceria uma recompensa de planetas inimagináveis ​​com a tecnologia atual. Até sabermos com certeza o que está por aí, tudo o que podemos fazer é definir limites mais baixos e fazer estimativas. Atualmente, pensamos que provavelmente existem trilhões de planetas ao redor de estrelas em nossa galáxia, mas não queremos pensar; nós queremos saber. Com um pouco de sorte, uma quantidade moderada de financiamento e muito trabalho duro, essa pode ser uma pergunta para a qual sabemos a resposta científica em apenas algumas décadas.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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