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O futuro da astronomia: a imagem de Starshade e exoplaneta

Crédito da imagem: Northrop Grummon, 2015–6, de Steve Warwick, Megan Novicki, Danny Smith, Michael Richards.

Como tiraremos fotos diretamente de planetas semelhantes à Terra no futuro!

Estamos em um grande limiar na história humana da exploração espacial. Se a vida é predominante em nossa vizinhança da galáxia, está dentro de nossos recursos e alcance tecnológico ser a primeira geração na história humana a finalmente cruzar esse limiar e aprender se existe algum tipo de vida além da Terra.
– Sarah Seager

Se você tivesse perguntado a um astrônomo há 25 anos se havia planetas ao redor de outras estrelas como o Sol, eles provavelmente lhe diriam, mas sem um único exemplo para apontar. Se você tivesse perguntado apenas cinco anos atrás, se havia planetas rochosos como a Terra em torno de outras estrelas semelhantes ao Sol, eles teriam lhe contado, provavelmente, mas sem um exemplo concreto de um. No entanto, a partir de hoje, em 2016, descobrimos mais de dois mil planetas confirmados em torno de estrelas em outros sistemas solares, incluindo centenas de mundos rochosos, com talvez oito a doze desses mundos rochosos no local certo para ter água líquida e potencialmente vida na superfície. Sem tecnologia melhorada, tudo o que podemos fazer é especular. Mas se pudéssemos medir a luz vinda desses mundos rochosos, poderíamos procurar as assinaturas que associamos à vida:

• oceanos e continentes líquidos e aquosos,
• atmosferas ricas em oxigênio e outros gases propícios à vida,
• moléculas com bioassinaturas distintas,
• e até mesmo evidências de que as assinaturas de vida na superfície do mundo mudam com as estações.

Pode parecer um sonho, mas com o advento de uma nova tecnologia chamada starshade, todas essas informações podem estar ao nosso alcance.

Interpretação artística do planeta Kepler-62e. Crédito da imagem: NASA/Ames/JPL-Caltech.

Considere que toda essa informação que gostaríamos de saber está contida em apenas alguns milhares de fótons vindos de um mundo não tão diferente da Terra. À medida que a Terra gira em sua órbita, vemos diferentes proporções de oceano para terra, o que nos permite aprender quanto da superfície está coberta de líquido versus quanto é sólido. Ao coletar a luz solar refletida da atmosfera do planeta, podemos ver quais características de absorção espectral estão presentes, nos dizendo qual é a proporção de gases como nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, vapor de água e metano, permitindo determinar se este planeta é provável habitada ou não. E ao observar a Terra em diferentes posições em sua órbita – e, portanto, durante as diferentes estações – pudemos ver as massas de terra mudarem de cobertas de vegetação para um marrom opaco para cobertas de gelo refletivo e vice-versa.

A chave para tudo isso é coletar luz do planeta sem tendo essa luz inundada pela própria estrela. Você pode pensar que simplesmente bloqueando a luz da estrela com um pequeno disco, algo chamado coronógrafo, seríamos capazes de fazer exatamente isso. É verdade que usamos coronógrafos em astronomia com grande efeito, mas a luz tem a infeliz propriedade (já que se comporta como uma onda) de que ela difrata em torno de qualquer objeto, incluindo um coronógrafo, e que a quantidade de luz difratada que passa por ela inundaria qualquer sinal de um planeta que é muitos bilhões de vezes mais fraco do que a estrela que orbita. No entanto, há um belo truque óptico que podemos usar para bloquear totalmente a luz da estrela: colocando um perfeitamente moldado objeto óptico do tamanho certo a uma longa distância da lente do telescópio. Em outras palavras, a solução para ver um planeta fraco não é em si uma tarefa para um telescópio mais poderoso, mas para uma sombra especial de bloqueio de luz para um telescópio, da mesma forma que a Lua nos protege na Terra durante um eclipse solar total.

Crédito da imagem: Luc Viatour / Lucnix.be , sob uma licença c.c.a.-s.a.-3.0.

Essa sombra não seria circular, porém, e não poderia ser tão grande quanto a Lua em termos de tamanho angular. O que estaríamos procurando era um planeta separado de sua estrela por apenas 1/36000 de grau, o que significa que precisaríamos que ele ocupasse apenas uma pequena fração da área que um telescópio pode observar. Existem três propriedades especiais que um tom como este teria que ter:

Crédito da imagem: Northrop Grummon, 2016, de Steve Warwick, Megan Novicki, Danny Smith, Michael Richards. Esta é uma amostra de 1:100 da sombra estelar planejada.

1. Teria que ter uma forma muito particular; não esférica, mas uma forma matemática especial conhecida como superfície hipergaussiana , que tem as propriedades especiais de que toda a luz estelar que é difratada nas bordas dessa superfície acaba interferindo destrutivamente em si mesma. Como resultado, a luz das estrelas é suprimida por um fator de mais de 10¹⁰, permitindo que o planeta seja fotografado.
2. Teria que ser grande e extremamente distante, devido a uma propriedade óptica conhecida como Número de Fresnel. Basicamente, a sombra precisa ter um certo tamanho angular, e seu número de Fresnel será maior se a tela estiver muito longe. Números grandes são melhores para reduzir a quantidade de luz que passa, então sua melhor aposta é construir uma sombra que seja grande e extremamente distante, a fim de reduzir o ruído que a luz externa das estrelas introduz.
3. E, finalmente, ele precisa estar perfeitamente alinhado ao longo da linha de visão do seu telescópio, o que significa que ele precisa ter seu próprio propulsor e estabilização que funcionem perfeitamente em sincronia com o telescópio ao qual está conectado.

Para um telescópio da classe Hubble, como a missão WFIRST proposta pela NASA, isso exigiria uma sombra estelar de 35 metros de comprimento – medida de ponta a ponta – que voasse a uma distância de 40.000 quilômetros (ou a circunferência da Terra!) um telescópio de 2,4 metros de largura.

https://www.youtube.com/watch?v=gC7pjlCKZe4

Os desafios técnicos são muitos, pois esse tom teria que:

• desdobrar no espaço a distância certa do telescópio,
• permitir que o alinhamento telescópio-estrela-estrela seja tão consistentemente perfeito que a luz das estrelas possa ser bloqueada e os planetas possam ser fotografados diretamente sem qualquer interferência da estrela,
• teria que permanecer em perfeito alinhamento mesmo que as naves espaciais continuem orbitando no espaço,
• e teria que viajar pelo céu até o local certo – uma jornada de dezenas de milhares de quilômetros – para cada novo alvo que você desejasse visualizar.

Mesmo assim, se voássemos uma sombra estelar com o WFIRST, a principal missão decenal da NASA na década de 2020, seríamos capazes de coletar dados como esse para todos os mundos rochosos ao redor, talvez das trinta estrelas mais próximas, e ter nosso primeiro vislumbre do planeta rochoso atmosferas por um mero custo de apenas US$ 1 bilhão.

Crédito da imagem: NASA e Northrop Grumman, de um telescópio usando uma sombra de estrela.

Você pode estar se perguntando se isso funcionaria, pois você estaria certo em fazê-lo. Como parte da prova de conceito, eles construíram um modelo de starshade e tiraram uma fotografia de Vega, uma das estrelas mais brilhantes do céu noturno, sem um starshade:

Crédito da imagem: 2016 Northrop Grumman Systems Corporation, de Vega e seu ambiente fotografado por 1 segundo sem nenhum tipo de escudo. A imagem está 100% saturada.

e com uma sombra estelar de amostra à distância certa da câmera que a está captando. A primeira imagem ficou completamente saturada após apenas 1 segundo de exposição, enquanto a segunda imagem retornou o seguinte após uma visualização de 20 minutos:

Crédito da imagem: 2016 Northrop Grumman Systems Corporation, de Vega, obscurecida por uma sombra estelar e o mesmo pedaço de céu observado por 20 minutos.

A luz de Vega foi reduzida em mais de um fator de um bilhão , e muitas novas estrelas que nunca haviam sido vistas antes foram descobertas apenas realizando este teste simples. Ao bloquear a luz das estrelas usando este novo conceito - o starshade - fomos capazes de ver objetos mais próximos da estrela do que nunca. O próximo passo? Coloque um em órbita e capacite-o para trabalhar com um telescópio espacial óptico da classe Hubble (ou superior!). Seremos capazes de ver a luz diretamente de dezenas de planetas rochosos, pela primeira vez, incluindo seus espectros à medida que o planeta gira e gira em sua própria órbita. Pela primeira vez, poderemos medir se mundos rochosos em outros sistemas solares, talvez até no habitável zonas de outros sistemas solares, possuem bioassinaturas semelhantes (ou até diferentes) às encontradas na Terra. A busca pela vida no Universo está apenas começando, mas o futuro da astronomia também envolve a busca de sinais de vida, e somos capazes de fazer isso acontecer!

Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes . Deixe seus comentários em nosso fórum , confira nosso primeiro livro: Além da Galáxia , e apoie nossa campanha no Patreon !

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