Planetas do tamanho da Terra ao redor de outras estrelas têm atmosferas? James Webb vai descobrir!
Quando um planeta transita na frente de sua estrela-mãe, parte da luz não é apenas bloqueada, mas se uma atmosfera estiver presente, filtra-se através dela, criando linhas de absorção ou emissão que um observatório suficientemente sofisticado poderia detectar. Crédito da imagem: ESA / David Sing.
Mesmo que não possa detectá-los diretamente, aprenderemos a resposta. Aqui está como.
Talvez a descoberta mais revolucionária da geração passada, quando pensamos no Universo além da Terra, seja a descoberta de que nosso Sistema Solar não é o único lá fora. 30 anos atrás, ainda não tínhamos encontrado um único planeta além do nosso próprio Sistema Solar; hoje, estamos cientes de milhares. Os rápidos desenvolvimentos em exoplanetologia nos ensinaram que existem mais planetas do que estrelas no Universo, e que mundos potencialmente habitáveis do tamanho da Terra são comuns. Na verdade, provavelmente existem centenas de bilhões desses mundos apenas em nossa galáxia.
Mas a maioria desses mundos está em torno de estrelas anãs vermelhas: estrelas onde as explosões e a atividade são comuns, e muitos cientistas afirmam que os mundos ao redor dessas estrelas não deveriam ter atmosferas agora. É verdade, ou eles podem ser habitáveis, afinal? Veja como o Telescópio Espacial James Webb descobrirá.
Trânsitos de Vênus (acima) e Mercúrio (abaixo) na borda do Sol. Observe como a atmosfera de Vênus difrata a luz solar ao seu redor, enquanto a falta de atmosfera de Mercúrio não mostra esses efeitos. Crédito da imagem: NASA / SDO / HMI / Stanford Univ., Jesper Schou (topo); Satélite TRACE da NASA (abaixo).
A maneira mais bem-sucedida de encontrar exoplanetas tem sido através do método de trânsito: procurar o momento em que um planeta, orbitando sua estrela, passa na frente do disco estelar, obscurecendo uma parte de sua luz. Observe a estrela por tempo suficiente para obter três ou mais desses trânsitos e você terá um candidato planetário em suas mãos, onde conhecerá o raio teórico do mundo. A missão Kepler da NASA foi incrivelmente bem-sucedida nisso, encontrando a grande maioria dos planetas por aí, que podem ser confirmados usando outros métodos, muitas vezes até determinando a massa do mundo.
Embora muitos dos candidatos semelhantes à Terra do Kepler estejam próximos da Terra em tamanho físico, eles podem ser mais parecidos com Netuno do que com a Terra se tiverem um envelope H/He espesso ao seu redor. Além disso, eles orbitam predominantemente estrelas anãs, o que significa que pode ser difícil para eles terem atmosferas. Crédito da imagem: NASA Ames / N. Batalha e W. Stenzel.
A maioria desses mundos descobertos são maiores e mais próximos do que a Terra, e orbitam estrelas anãs vermelhas (em vez do Sol). Nada disso é surpreendente, já que planetas maiores e em órbita mais rápida são mais fáceis de detectar, e as estrelas anãs vermelhas são o tipo mais comum. No entanto, devido ao seu pequeno tamanho, o Kepler é bom em detectar mundos do tamanho da Terra em torno dessas anãs M. O sistema mais famoso de todos, TRAPPIST-1, contém sete planetas aproximadamente do tamanho da Terra, alguns dos quais podem ter as temperaturas certas para água líquida e condições semelhantes à Terra.
Mas há uma pegadinha.
A impressão deste artista mostra TRAPPIST-1 e seus planetas refletidos em uma superfície. O potencial de água em cada um dos mundos também é representado pela geada, poças de água e vapor ao redor da cena. No entanto, não se sabe se algum desses mundos ainda possui atmosferas, ou se eles foram levados pela estrela-mãe. Crédito da imagem: NASA/R. Ferido/T. Pilha.
Estrelas anãs vermelhas – as estrelas de menor massa, classe M – são extremamente ativas e propensas a erupções de uma maneira que estrelas como o nosso Sol não são. A uma distância tão próxima, muitos antecipam que quaisquer planetas que orbitam essas estrelas terão suas atmosferas completamente removidas em escalas de tempo muito mais curtas do que os bilhões de anos necessários para o surgimento de vida complexa. Embora existam otimistas por aí que afirmam que ainda pode haver uma maneira de esses mundos manterem suas atmosferas, ainda não há uma razão convincente para pensar que sim. No entanto, é uma pergunta aberta e sem resposta e, mesmo que não tenha sorte, é uma pergunta que o Telescópio Espacial James Webb deve fazer um trabalho notável de resposta.
O Telescópio Espacial James Webb vs. Hubble em tamanho (principal) e vs. uma série de outros telescópios (inserção) em termos de comprimento de onda e sensibilidade. Seu poder é verdadeiramente sem precedentes. Crédito da imagem: NASA/JWST.
A maneira mais fácil de descobrir se um planeta tem uma atmosfera ou não é medi-la diretamente. Quando um planeta transita na frente de sua estrela-mãe, a luz que encontra a superfície do planeta é bloqueada completamente, criando o mergulho na curva de luz vista pelo Kepler. Mas uma pequena quantidade de luz filtra através da atmosfera do planeta, supondo que uma esteja presente. Se estiver lá, qualquer molécula presente absorverá uma parte da luz, criando uma linha escura correspondente às moléculas que estão lá. Em princípio, poderíamos detectar metano, água, dióxido de carbono ou até oxigênio molecular: o indicador mais forte de vida que poderíamos esperar encontrar.
Janelas de transmissão atmosférica em função do comprimento de onda. As mesmas características de absorção que dificultam a medição do Universo a partir da superfície da Terra permitiriam que alienígenas distantes detectassem a composição de nossa atmosfera. Crédito da imagem: ENGL / EMIR Carsten Stech (topo, com funções de absorção/transmissão); Usuário da NASA / Wikimedia Commons Mysid (abaixo), edições de E. Siegel.
Mas mesmo com planetas do tamanho da Terra em torno das estrelas mais brilhantes, isso ainda levará James Webb ao limite e pode não ser viável. Mesmo assim, devido à sua capacidade de medir a luz com alta sensibilidade no infravermelho, há uma esperança notável para determinar se esses mundos têm atmosfera, independentemente de quaisquer outras medições. À medida que os planetas orbitam sua estrela, vemos diferentes fases: uma fase completa quando está do outro lado da estrela; uma nova fase quando está no lado próximo, e tudo mais. Com base na temperatura do mundo à noite, receberemos diferentes quantidades de luz infravermelha do lado escuro que está voltado para o Sol. Mesmo sem trânsito, James Webb deve ser capaz de medir isso.
As fases de Vênus, vistas da Terra, são análogas a uma fase de exoplaneta enquanto orbita sua estrela. Se o lado noturno exibir certas propriedades de temperatura/infravermelho, exatamente aquelas às quais James Webb será sensível, podemos determinar se eles têm atmosferas, mesmo sem medi-las diretamente por meio de um trânsito. Crédito da imagem: usuários do Wikimedia Commons Nichalp e Sagredo.
Se não houver atmosfera, o lado noturno será extremamente frio e as diferenças de temperatura dia/noite serão extremas. Mas se houver uma atmosfera, mesmo se não obtivermos dados diretos, poderemos determinar:
- se o mundo é semelhante à Terra, semelhante a Vênus ou semelhante a Mercúrio,
- se há cobertura de nuvens ou não,
- se o mundo está travado por maré à sua estrela ou gira livremente,
- e, se formos muito bons, quais são as variações de temperatura noite/dia, quantitativamente.
Apenas através do poder da luz estelar refletida e da emissão infravermelha, com a sensibilidade do Telescópio Espacial James Webb, devemos ser capazes de fazer essas medições para até centenas de planetas ao redor de estrelas da classe M.
Devido à sua proximidade a apenas 40 anos-luz de distância, o Hubble foi capaz de descartar uma atmosfera grande, inchada e dominada por H/He em torno dos dois planetas TRAPPIST mais internos. Se James Webb tiver sorte, deve medir o conteúdo atmosférico de todos os sete mundos; se não tiver sorte, ainda pode medir se esses mundos têm ou não atmosferas. Crédito da imagem: NASA/ESA/STScI/J. de Wit (MIT).
Provavelmente haverá muitos deles que não têm atmosfera alguma. Mas se até 10% – ou mesmo 1% – dos mundos potencialmente habitáveis em torno dessas anãs vermelhas tiverem uma atmosfera substancial, isso pode mudar tudo. Com base nos sucessos das missões Kepler e K2, a NASA Satélite de Pesquisa de Exoplanetas em Trânsito (TESS), com lançamento em março, monitorará mais de 200.000 estrelas para procurar os melhores candidatos planetários para James Webb observar.
Concepção de um artista (2015) de como será o Telescópio Espacial James Webb quando estiver completo e implantado com sucesso. Este será o observatório chave para determinar se os exoplanetas ao redor das estrelas mais próximas, mais brilhantes e menores têm atmosferas ou não. Crédito da imagem: Northrop Grumman.
Mesmo se tivermos azar e não pudermos medir o conteúdo atmosférico diretamente, esse método indireto de observar as fases planetárias deve nos dizer se as atmosferas estão presentes ou não. O sonho de descobrir se existem outros planetas com vida neles parecia uma tarefa para uma geração diferente há apenas alguns anos. Com a atual geração de missões da NASA prontas, pode ser que daqui a alguns anos façamos o maior anúncio de toda a história da humanidade: a descoberta de que em todo o Universo não estamos sozinhos, afinal.
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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