• Começa com um estrondo

Habitable Worlds Observatory da NASA para finalmente responder à pergunta épica: “Estamos sozinhos?”

A NASA finalmente escolheu qual missão principal, como Hubble e JWST, será lançada em ~ 2040. Detectar vida alienígena agora é uma meta alcançável.

Principais conclusões

• Talvez os maiores avanços em toda a astrofísica tenham vindo das missões principais da NASA, que nos deram visões revolucionárias com o Hubble e o JWST, entre outros.
• A próxima missão emblemática, o Nancy Roman Telescope, já está sendo construída, mas havia quatro propostas para escolher para a seguinte, conforme recomendado ao comitê decenal Astro2020.
• A principal prioridade já foi escolhida e está sendo projetada: o Habitable Worlds Observatory da NASA. O objetivo não é menor do que encontrar planetas habitados além da Terra.

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Existem algumas questões que a humanidade sempre ponderou, mas dificilmente poderia responder satisfatoriamente até que surgissem os avanços científicos adequados. Perguntas como:

• O que é o Universo?
• De onde veio?
• Como ficou assim?
• E qual é o seu destino final?

são perguntas que nos acompanham desde tempos imemoriais e, no entanto, nos séculos 20 e agora 21, estão finalmente obtendo respostas abrangentes graças a incríveis avanços na física e na astronomia. No entanto, talvez a maior questão de todas - a de 'Estamos sozinhos no Universo?' — permanece um mistério.

Embora a geração atual de telescópios terrestres e espaciais possa nos levar longe no Universo, essa é uma questão que atualmente está além do nosso alcance. Para chegar lá, precisaremos obter imagens diretas de exoplanetas semelhantes à Terra: planetas com tamanhos e temperaturas semelhantes à Terra, mas que orbitam estrelas semelhantes ao Sol, não as estrelas anãs vermelhas mais comuns, como Proxima Centauri ou TRAPPIST-1. Essas capacidades são precisamente o que a NASA pretende com sua missão emblemática recém-anunciada: Observatório dos Mundos Habitáveis . É um projeto ambicioso, mas que vale a pena. Afinal, descobrir que não estamos sozinhos no Universo seria possivelmente a maior revolução de toda a história da ciência.

Esta animação mostra os quatro planetas super-Júpiter fotografados diretamente em órbita ao redor da estrela, cuja luz é bloqueada por um coronógrafo, conhecido como HR 8799. Os quatro exoplanetas mostrados aqui estão entre os mais fáceis de obter imagens diretas devido ao seu grande tamanho e brilho, bem como sua enorme separação de sua estrela-mãe. Esses planetas que orbitam sua estrela obedecem às mesmas leis Keplerianas que os planetas do nosso próprio Sistema Solar.

Hoje, em 2023, existem três maneiras principais pelas quais procuramos por vida alienígena.

1. Estamos explorando mundos em nosso Sistema Solar, incluindo Marte, Vênus, Titã, Europa e Plutão, remotamente, com missões de sobrevoo, orbitadores, aterrissadores e até rovers, em busca de evidências de vida simples passada ou mesmo presente.
2. Estamos examinando exoplanetas em busca de evidências de que há vida neles, desde a superfície até a atmosfera e além, com base em assinaturas observáveis ​​de cor, mudança sazonal e conteúdo atmosférico.
3. E procurando por quaisquer sinais que revelem a presença de alienígenas inteligentes: por meio de esforços como o SETI e o Breakthrough Listen.

Todas as três abordagens têm suas vantagens e desvantagens, mas a maioria dos cientistas acredita que é a segunda opção com maior probabilidade de obter nosso primeiro sucesso.

Se a vida requer condições semelhantes às encontradas na Terra, podemos muito bem ser o único mundo no Sistema Solar onde a vida já se desenvolveu, sobreviveu e prosperou. Se não houver civilizações inteligentes transmitindo ativamente por perto, o SETI não fornecerá nenhum resultado positivo. Mas se mesmo uma pequena fração dos mundos que existem com propriedades semelhantes à Terra tiver vida, os estudos de exoplanetas podem proporcionar um sucesso onde as outras duas opções não. E percorremos um longo caminho em nossos estudos de exoplanetas: temos mais de 5.000 exoplanetas conhecidos e confirmados na Via Láctea, onde conhecemos a massa, o raio e o período orbital da maioria dos mundos confirmados.

Embora mais de 5.000 exoplanetas confirmados sejam conhecidos, com mais da metade deles descobertos pelo Kepler, não há verdadeiros análogos dos planetas encontrados em nosso Sistema Solar. Análogos de Júpiter, análogos da Terra e análogos de Mercúrio permanecem indescritíveis com a tecnologia atual.

Infelizmente, isso não é suficiente para nos informar se algum desses mundos é habitado. Para fazer essa determinação, precisamos de mais do que isso. Precisamos saber coisas como:

• O exoplaneta tem uma atmosfera?
• Tem nuvens, precipitação e ciclos climáticos?
• Seus continentes ficam verdes e marrons com as estações, como na Terra?
• Possui gases ou combinações de gases em sua atmosfera que sugerem atividade biológica e mostram variações sazonais como os níveis de CO2 da Terra?

Hoje, na vanguarda da realização dessas medições, estão os telescópios espaciais JWST e os telescópios terrestres de 10 metros, realizando imagens diretas de exoplanetas e espectroscopia de trânsito.

Infelizmente, essa tecnologia não é suficiente para atingir nosso objetivo de medir as propriedades de planetas do tamanho da Terra em órbitas semelhantes à da Terra em torno de estrelas semelhantes ao Sol. Para estudos de imagens diretas, podemos tirar fotos de planetas do tamanho de Júpiter e que estão a mais ou menos a distância de Saturno ao Sol: bom para mundos gigantes gasosos, mas não tão bons para procurar vida em planetas rochosos. Para a espectroscopia de trânsito, podemos ver a luz que se filtra através das atmosferas de mundos do tamanho de super-Terras em torno de estrelas anãs vermelhas, mas planetas do tamanho da Terra em torno de estrelas semelhantes ao Sol estão muito além do alcance da tecnologia atual.

Quando a luz das estrelas passa pela atmosfera de um exoplaneta em trânsito, as assinaturas são impressas. Dependendo do comprimento de onda e intensidade dos recursos de emissão e absorção, a presença ou ausência de várias espécies atômicas e moleculares na atmosfera de um exoplaneta pode ser revelada por meio da técnica de espectroscopia de trânsito. O JWST não pode obter espectros para planetas do tamanho da Terra em torno de estrelas semelhantes ao Sol, mas o Habitable Worlds Observatory finalmente o fará.

É um começo promissor, mas precisamos continuar se quisermos alcançar o sucesso final de encontrar e caracterizar um planeta habitado. Atualmente, estamos construindo a próxima geração de telescópios terrestres, inaugurando a era dos telescópios da classe de 30 metros com o GMTO e a ELT , e ansioso pela próxima missão astrofísica da NASA: o Nancy Roman Telescope, que terá as mesmas capacidades do Hubble, mas com instrumentação superior, um campo de visão 50-100 vezes maior que o do Hubble e um coronógrafo que permite nos permite imaginar planetas sob o brilho da luz de sua estrela-mãe que são cerca de 1000 vezes mais fracas do que o JWST pode ver.

Mesmo com esses avanços, no entanto, só teremos planetas do tamanho da Terra em torno das estrelas anãs vermelhas mais próximas e planetas do tamanho de super-Terras ou mini-Netunos em torno de estrelas semelhantes ao Sol. Para obter imagens de um planeta verdadeiramente parecido com a Terra, é necessário um observatório melhorado com capacidades ainda maiores.

Felizmente, nossa tecnologia não permanece estagnada, nem nossas visões de descoberta e exploração. A cada década, a Academia Nacional de Ciências se reúne para delinear as maiores prioridades para astronomia e astrofísica, fazendo recomendações como parte de uma pesquisa decadal. Quatro missões emblemáticas foram propostas:

1. Lince , um observatório de raios-X de última geração, especialmente importante devido ao escopo reduzido da próxima missão Athena da ESA,
2. Origens , um observatório de infravermelho distante de última geração, preenchendo uma lacuna colossal em nossa cobertura de comprimento de onda do Universo,
3. HabEx , um telescópio de espelho único projetado para visualizar diretamente os planetas semelhantes à Terra mais próximos,
4. e LUVOIR , um ambicioso telescópio segmentado gigante que seria um observatório de “sonho” astronômico para todos os fins.

Idealmente, um novo telescópio espacial, entre as capacidades propostas de HabEx e LUVOIR (mostrado aqui), será grande o suficiente para capturar imagens de um grande número de exoplanetas semelhantes à Terra diretamente, enquanto ainda possui as propriedades desejadas para mantê-lo dentro do orçamento e não requerem o desenvolvimento de tecnologias totalmente novas e não testadas.

Embora a recomendação fosse que todos os quatro fossem eventualmente construídos, a missão de maior prioridade era uma versão ampliada do HabEx, levando em consideração os recursos do HabEx e do LUVOIR para formar o Habitable Worlds Observatory. De muitas maneiras, a especificação proposta atingiu precisamente o “ponto ideal” entre a viabilidade dada a tecnologia atual, o potencial de descoberta dado o que sabemos e o que não sabemos e a relação custo-benefício, incorporando as lições aprendidas com os problemas experimentados na construção e lançamento do JWST.

As especificações propostas até agora são muito animadoras e incluem:

• um design de espelho óptico segmentado, semelhante ao que já está em uso pelo JWST,
• o mesmo tipo de tecnologia de coronógrafo que está sendo desenvolvido e testado atualmente para o Telescópio Romano,
• sensores atualizados que podem controlar os vários segmentos do espelho para obter estabilidade no nível do picômetro,
• compatibilidade planejada com foguetes de próxima geração que voarão no final dos anos 2030/início dos anos 2040,
• manutenção robótica planejada de componentes no ponto L2 Lagrange, localizado a aproximadamente 1,5 milhão de km da Terra,
• e nenhuma tecnologia totalmente nova que não tenha sido totalmente amadurecida antes da fase de desenvolvimento/construção.

Isso é extremamente encorajador, pois apresenta um plano viável que não é particularmente suscetível a atrasos e excessos principalmente devido à necessidade de desenvolver tecnologias totalmente novas que atormentaram o JWST por anos antes de seu lançamento.

A perspectiva de detectar e caracterizar a atmosfera de um verdadeiro planeta semelhante à Terra, ou seja, um planeta do tamanho da Terra na zona habitável de sua estrela, incluindo anãs vermelhas e outras estrelas semelhantes ao Sol, está ao nosso alcance. Com um coronógrafo de última geração, uma grande missão ultravioleta-óptica-infravermelha poderia encontrar dezenas, ou mesmo centenas, de mundos do tamanho da Terra para medir.

Com esses recursos, o Habitable Worlds Observatory terá uma excelente chance de alcançar o que talvez seja o santo graal da astronomia: revelar um planeta realmente habitado para a humanidade pela primeira vez. Com um design entre 6,0 e 6,5 metros comparável ao tamanho do JWST, ele deve ser capaz de obter imagens diretas de planetas do tamanho da Terra em torno de todas as estrelas dentro de cerca de 14 anos-luz da Terra. Cada pedacinho de diâmetro extra conta neste jogo, porque se você pode dobrar o raio que você pode ver os planetas, você aumenta o volume de busca e o número esperado de objetos por um fator de oito. Nas proximidades do Sol, existem:

• 9 sistemas estelares dentro de 10 anos-luz da Terra,
• 22 sistemas estelares a 12 anos-luz da Terra,
• 40 sistemas estelares a 15 anos-luz da Terra,
• e 95 sistemas estelares dentro de 20 anos-luz da Terra.

Com seu projeto planejado, algo entre 20 e 30 planetas semelhantes à Terra poderiam ser diretamente fotografados pelo Habitable Worlds Observatory. Se houver pelo menos alguns por cento de chance de a vida se estabelecer em um mundo semelhante à Terra, esta missão será capaz de descobrir nosso primeiro planeta habitado além do Sistema Solar. Talvez, se a natureza for gentil, possamos até descobrir mais de um.

Este gráfico mostra a localização dos sistemas estelares mais próximos além do Sistema Solar, centrados no Sol. Se você pode dobrar o raio para o que você pode ver e medir, você abrange oito vezes o volume, e é por isso que a capacidade de ver mais longe, mesmo que um pouco, aumenta muito suas chances de encontrar algo notável, mesmo que seja um tipo raro. do sistema que você está procurando.

Como já passamos pelo trabalho de desenvolver muitas das tecnologias precursoras, incluindo o protetor solar de 5 camadas usado com JWST, o design de espelho dobrado/segmentado usado com JWST e o espelho deformável usado no coronógrafo romano (atualmente sendo testado com PICTURE-C, um experimento de balão), não deve haver nada totalmente novo ou novo para tropeçar no Habitable Worlds Observatory como havia com o JWST.

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No entanto, todos os novos desenvolvimentos vêm com riscos. A ideia de manutenção robótica é encorajadora, porque já fizemos manutenção robótica antes, mas apenas em órbita baixa da Terra. À distância de L2, 1,5 milhão de quilômetros, mesmo as instruções enviadas na velocidade da luz têm um atraso de ida e volta de 10 segundos. A manutenção exigirá tecnologia de foguetes e tecnologia robótica automatizada que não existe atualmente.

Alcançar alinhamentos de espelho em nível de ~picômetro é um desafio técnico que requer avanços muito além dos alinhamentos de nível de ~nanômetro alcançáveis ​​hoje. Embora isso exija apenas uma melhoria incremental em relação à tecnologia existente, um conjunto substancial de recursos precisará ser dedicado a isso, e atualmente está sendo dedicado como parte do processo de “maturação da tecnologia” inerente às fases de projeto e pré-projeto.

Uma grande preocupação que não atingiu necessariamente o radar das pessoas certas é a adequação do coronógrafo romano atualmente projetado para o Habitable Worlds Observatory. O coronógrafo JWST está funcionando exatamente como previsto, permitindo-nos encontrar e visualizar planetas que são apenas 1 parte em 100.000 tão brilhantes quanto suas estrelas-mãe. O Nancy Roman Telescope espera uma melhoria de fator de 1000 em relação ao JWST, pois está sendo otimizado para lidar com os padrões de interferência e a luz difusa que emerge de uma forma de coronógrafo perfeitamente circular.

No entanto, há um problema: uma das razões pelas quais o coronógrafo do Nancy Roman Telescope pode ter um desempenho muito melhor do que o do JWST é porque o JWST tem um espelho de azulejos com um design segmentado, enquanto o telescópio Nancy Roman terá um único espelho circular monolítico. A forma do espelho JWST é o motivo pelo qual ele tem aquele padrão de difração “semelhante a um floco de neve” em torno de todas as suas estrelas e fontes pontuais brilhantes de luz: isso é apenas uma consequência matemática da geometria de sua ótica.

A função de dispersão de pontos para o Telescópio Espacial James Webb (JWST), conforme previsto em um documento de 2007. Os quatro fatores de um espelho primário hexagonal (não circular), composto por um conjunto de 18 hexágonos lado a lado, cada um com cerca de 4 mm de folga entre eles e com três suportes para manter o espelho secundário no lugar, todos trabalham para criar o série inevitável de picos que aparecem em torno de fontes de pontos brilhantes fotografadas com JWST. Esse padrão foi carinhosamente chamado de “floco de neve do pesadelo” por muitos dos cientistas de instrumentos do JWST.

Mas os coronógrafos são circulares por natureza e não podem “desfazer” facilmente a luz dispersa que é introduzida por qualquer borda afiada, incluindo:

• os azulejos hexagonais,
• os “cantos” nas bordas externas do espelho,
• e os “intervalos” milimétricos entre os vários segmentos.

Com um design semelhante ao JWST, isso parece ser um grande problema para o Habitable Worlds Observatory, especialmente porque ele precisa de coronagrafia bem-sucedida no nível de 1 parte em 10.000.000.000 para criar imagens de mundos semelhantes à Terra em torno de estrelas semelhantes ao Sol. : outro fator de ~100 melhor do que o coronógrafo romano alcançará.

O conceito deste artista mostra a geometria de um telescópio espacial alinhado com uma starshade, uma tecnologia usada para bloquear a luz das estrelas a fim de revelar a presença de planetas orbitando essa estrela. A dezenas de milhares de quilômetros de distância, o starshade e o telescópio devem atingir e manter um alinhamento perfeito para permitir imagens diretas de exoplanetas. Em comparação com um coronógrafo, a ótica de um starshade é superior, mas muito menos sistemas estelares podem ser sondados em qualquer período de tempo.

Uma solução potencial é lançar um starshade com o Habitable Worlds Observatory ou mesmo após o fato, para bloquear a luz da estrela antes que ela atinja o espelho primário do Habitable Worlds Observatory. Embora isso seja tecnologicamente viável, é caro e tem eficácia limitada; ele tem que viajar cerca de 80.000 quilômetros em relação ao observatório toda vez que deseja trocar de alvo. Ao todo, pode potencialmente ajudar a imaginar um ou dois sistemas por ano, mas esse é o limite máximo.

Uma solução selvagem que talvez deva ser considerada não é construir um espelho segmentado tradicional, mas uma série de círculos, semelhante à configuração óptica do Telescópio Gigante de Magalhães em construção. Com sete círculos perfeitos em vez de mais de 18 hexágonos lado a lado, ele tem o poder de captação de luz da área de todos os sete círculos combinados, mas a resolução do diâmetro ao longo do qual os espelhos primários são montados. Com este desenho:

• todos os problemas de luz difusa de um design semelhante ao JWST são eliminados,
• a tecnologia de espelho primário dobrável já desenvolvida ainda pode ser utilizada,
• a tecnologia de estabilidade em nível de picômetro que está sendo desenvolvida em segmentos de espelho ainda se aplicaria
• em vez de um único espelho secundário e/ou um único coronógrafo, cada um dos sete segmentos poderia obter o seu próprio,

e, como bônus, não seriam necessários fios para atravessar a ótica do espelho primário, pois o(s) espelho(s) secundário(s) poderia(m) ser mantido(s) no lugar com fios que passavam entre as lacunas nos segmentos circulares: exatamente por isso o Telescópio Gigante de Magalhães será o primeiro observatório de classe mundial sem picos de difração em suas estrelas.

O Telescópio Gigante Magalhães de 25 metros está atualmente em construção e será o maior novo observatório terrestre da Terra. Os braços da aranha, vistos segurando o espelho secundário no lugar, são especialmente projetados para que sua linha de visão caia diretamente entre as lacunas estreitas nos espelhos GMT, criando uma visão do Universo sem cantos afiados em seus espelhos ou picos de difração ao redor suas estrelas. Este projeto pode ser revolucionário se aplicado ao próximo Habitable Worlds Observatory.

Com o design e a implementação corretos, poderíamos estar olhando para um Observatório de Mundos Habitáveis:

• lançado no final da década de 2030/início da década de 2040,
• isso está dentro do orçamento e dentro do prazo,
• que possui a arquitetura necessária para atingir seus objetivos observacionais sem a necessidade de starshade,
• que é totalmente recarregável e cujos instrumentos são totalmente reparáveis ​​e substituíveis,
• que poderia ter um starshade adicionado a ele a qualquer momento no futuro,
• e possivelmente imagens suficientes de planetas “parecidos com a Terra” para descobrir pelo menos um (e talvez até mais de um) exoplaneta que seja realmente habitado.

A grande questão que precisa entrar no projeto deste telescópio é a compensação entre quantos candidatos semelhantes à Terra ele pode visualizar diretamente versus quão grande e caro o telescópio será. Embora a faixa de 6 a 7 metros pareça ser o ponto ideal, o cenário de pesadelo é que construímos este observatório um pouco pequeno demais e com custos conservadores para encontrar o que estamos procurando: um planeta alienígena habitado.

Devemos lembrar que na busca por vida além da Terra, estamos jogando na loteria com probabilidades desconhecidas. Cada planeta parecido com a Terra que imaginamos e caracterizamos representa um bilhete: um bilhete de loteria onde as probabilidades de todos os prêmios são desconhecidas. Nossas chances de sucesso dependem inteiramente de quais bilhetes são vencedores e se compramos o suficiente. A parte difícil é que não saberemos se temos restrições significativas sobre quais são essas probabilidades até que as descobertas do Habitable Worlds Observatory cheguem e, portanto, cabe a nós construí-lo de forma que nossas chances de pelo menos um sucesso são tão grandes quanto possível. Se o fizermos, podemos finalmente ter a resposta para 'Estamos sozinhos no universo?' Apenas talvez, saibamos com certeza que a resposta é: “Não, existem outros”.

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