Quantos planetas habitáveis existem em nossa galáxia?
Crédito da ilustração: NASA / Kepler.
Kepler deu uma olhada em 150.000 estrelas, procurando por mundos habitáveis. Com base no que descobriu, quantos deveriam estar em nossa galáxia?
Tenho certeza de que o universo está cheio de vida inteligente. Foi muito inteligente vir aqui. – Arthur C. Clarke
À medida que a espaçonave Kepler chega ao fim de sua vida útil de descoberta de planetas, é hora de dar uma olhada no que encontrou, o que era capaz de encontrar, e o que isso significa para o que está lá fora.
Crédito da imagem: NASA.
O Kepler apontou para um campo de visão que contém um dos braços mais próximos de nós em nossa galáxia espiral: uma região densa de estrelas no espaço. Mesmo sendo capaz de medir estrelas apenas alguns milhares de anos-luz em uma região relativamente estreita do céu, foi apontada para cerca de 150.000 estrelas.
O que mediu foi a quantidade total de luz proveniente de cada um, para que pudesse medir variabilidade, oscilações, surtos e outros fenômenos estelares. Mas o que era realmente procurando foi um escurecimento muito particular e, em seguida, re-brilho da estrela.
Crédito da imagem: NASA Ames.
A razão pela qual estava procurando por esse sinal em particular é que isso é o que veríamos se, alinhados ao longo de nossa linha de visão, houvesse um planeta transitando na frente dessa estrela. As estrelas irradiam energia a uma temperatura específica, espalhada por todo o disco visto da Terra. Mas se houver um planeta no sistema solar dessa estrela que a cruze a face dessa estrela de nossa perspectiva, isso nos parecerá um escurecimento gradual e leve da estrela, a estrela permanecendo com esse brilho reduzido por apenas algumas horas , seguido de um re-brilho à luminosidade original.
Um evento não é suficiente, pois precisamos ter certeza de que este não é apenas um evento desonesto de algum objeto interestelar passando entre ele e nós. Precisamos observar vários trânsitos do mesmo objeto, para ter certeza de que temos um planeta ou um corpo em órbita que está causando o sinal.
Para cada estrela que surge com um sinal como esse, obtemos um candidato planetário de Kepler.
Crédito da imagem: Rachel Street of http://lcogt.net/spacebook/transit-method .
Nem todos esses candidatos serão planetas! Algumas das maiores acabarão sendo estrelas pequenas e fracas; algumas das mais internas, de órbita mais rápida, na verdade se tornarão enormes manchas solares, e algumas outras (preferencialmente as menores) podem ser simplesmente flutuações aleatórias nos dados.
Tentamos ser muito cuidadosos ao anunciar se algo é um planeta confirmado em oposição a um candidato a planeta, e exigimos uma confirmação de acompanhamento por meio de um telescópio diferente e uma técnica diferente de outros do que o método de trânsito, como oscilação estelar ou imagem direta.
Crédito da imagem: ISSO.
Esta parte é duro ! A partir de 1º de janeiro, havia um total de 7348 candidatos planetários totais nesse campo, mas apenas 979 planetas confirmados.
Isso significa que estamos vendo principalmente falsos positivos? Não! Estamos vendo um grande número de falsos positivos: 3170, para ser preciso, mas simplesmente verifica-se que a confirmação desses planetas leva muito tempo do telescópio e é uma tarefa difícil para os telescópios que temos atualmente disponíveis. (Isso também significa que Kepler descobriu mais de 2.000 estrelas binárias eclipsantes!) não eram rejeitados, mais de 90% deles serão planetas.
Crédito da imagem: Matt / The Zooniverse, via http://blog.planethunters.org/2010/12/20/transiting-planets/ .
Destes planetas que foram confirmados, cinco deles são particularmente interessantes. Por quê? Porque eles são pequeno , planetas do tamanho da Terra (não mais que o dobro do raio da Terra), que são nas zonas habitáveis de suas estrelas. Podemos dizer isso apenas pela magnitude e tempo do trânsito, desde que o confirmemos com outro método.
Na reunião da American Astronomical Society desta semana, alguns novos números foram divulgados a partir dos dados do Kepler: finalmente chegamos 1.000 planetas confirmados (na verdade, 1004), descobriram 554 novos candidatos planetários (trazendo o total de volta para 4.732), e mais três planetas confirmados que são ambos inferiores duas vezes tamanho da Terra e nas zonas habitáveis de suas estrelas!
Crédito da imagem: NASA.
Isso significa que há um total de oito planetas potencialmente semelhantes à Terra que orbitam suas estrelas na distância certa para água líquida em sua superfície e potencialmente vida. Um dos novos – Kepler-438b – é apenas 12% maior que a Terra, orbita sua estrela (muito mais fria que o Sol) a cada 35,2 dias e pode se tornar o melhor candidato potencial para condições semelhantes à Terra de todos!
Crédito da imagem: NASA Ames/W Stenzel.
Então, com tudo o que foi feito – a linha do tempo da missão, o que foi realizado até o momento e o que sabemos sobre sistemas solares em geral – o que podemos concluir de tudo isso? O que podemos dizer sobre o número total de planetas potencialmente habitáveis – mundos do tamanho da Terra nas zonas habitáveis de suas estrelas – em nossa galáxia?
Há duas coisas que precisamos considerar antes de simplesmente pegar o que encontramos na amostra que analisamos e extrapolar para o número total de estrelas em nossa galáxia. Essas duas coisas são:
1.) O que mais poderia Kepler descobrir se tinha uma quantidade infinita de tempo e precisão, e
2.) O que esperamos estar lá fora que nós conhecer Kepler faria Nunca Vejo?
A primeira pergunta tem muitas incertezas inerentes a ela.
Crédito da imagem: exo-equipe CoRoT, via http://sci.esa.int/corot/40952-transit-of-exoplanet-corot-exo-1b/ .
Quando damos uma olhada no que o Kepler pode realmente ver, você tem que lembrar que é inerentemente tendencioso para os seguintes tipos de planetas:
- Grandes planetas , porque bloqueiam mais a luz de sua estrela-mãe,
- em torno de pequenas estrelas , porque bloqueiam uma maior percentagem da luz de sua estrela-mãe,
- aquele orbita muito perto da própria estrela , porque você verá trânsitos com muito mais frequência.
Quando modelamos como os Sistemas Solares se formam, esperamos que haja um número cada vez maior de planetas quanto menores eles ficam, e ainda assim, quando olhamos os dados do Kepler, descobrimos que isso é verdade apenas até certo ponto; uma vez que chegamos a planetas que são talvez o dobro do tamanho da Terra, começamos a ver cada vez menos deles à medida que ficam menores.
Crédito da imagem: NASA / Kepler; um pouco desatualizado.
Isso é porque isso está no limite do que o Kepler pode ver ! Lembre-se de que o Kepler – como qualquer instrumento – tem um limite para a sensibilidade de uma mudança que ele pode ver. Se você tem uma estrela cujo brilho diminui em 1% quando um planeta transita na frente dela, essa é uma mudança fácil de detectar. Mas se essa mudança for de 0,1%? 0,01%? 0,001%?
Quanto menor a alteração, mais difícil se torna a detecção. No caso de um planeta como Mercúrio, mesmo estando incrivelmente próximo de sua estrela-mãe, a mudança é pequena demais para o Kepler perceber.
Crédito da imagem: ESA/NASA/SOHO, do trânsito de Mercúrio em 2006.
Isso também é verdade para a maioria dos planetas semelhantes à Terra. Nós tendemos a encontrar apenas mundos pequenos e concebivelmente rochosos que estão próximos o suficiente para orbitar sua estrela várias vezes. Como o Kepler acabou coletando dados de apenas três anos, isso provavelmente significa que existem muitos planetas nas zonas habitáveis em torno de estrelas semelhantes ao Sol que cruzaram sua estrela apenas uma ou duas vezes no tempo em que a observamos. Afinal, isso é tudo o que teríamos para um planeta em qualquer lugar entre a órbita da Terra e de Marte em torno de uma estrela como a nossa, e é aí que achamos que está a zona habitável!
Crédito da imagem: usuário da NASA / JPL-Caltech / Wikimedia Commons Henrykus .
Então nós temos alguns, nós encontramos algum deles, mas Kepler não é exaustivo dos planetas rochosos nas zonas habitáveis em torno de suas estrelas-mãe. Também determinamos - a partir dos que temos medições de massa/raio - que em algum lugar entre cerca de 1,5 a 2,0 vezes a massa da Terra, começamos a entrar em um planeta do tipo mini-Netuno, que tem um grande hidrogênio /hélio em torno dele, em vez de um planeta do tipo super-Terra, o que significa que você pode realisticamente ser apenas cerca de 30% maior em raio do que a Terra e ainda esperar ser rochoso; a maioria do que temos sido chamando as super-Terras por muito tempo são provavelmente mais parecidas com Netuno do que com a Terra.
Então, no geral, nós apenas arranhamos a superfície de planetas rochosos nas zonas habitáveis em torno das estrelas, e o Kepler não vai nos mostrar maioria deles. Isso significa que nos mostra 10% deles? Ou isso significa que nos mostra 0,1% deles? Não sabemos, embora as estimativas mais razoáveis provavelmente coloquem esse número entre esses dois números. (Sim, estou ciente de que é uma grande variedade!) Mas considere que dos mais de 4.000 candidatos planetários que Kepler descobriu, mais de 800 deles são 1,25 vezes o tamanho da Terra ou menor! É só que, devido à maneira como somos bons em encontrar planetas, quase todos eles estão muito próximos de sua estrela e, portanto, muito quentes. O fato de termos oito planetas confirmados com menos de dois raios terrestres na zona habitável em torno de sua estrela é apenas o começo.
Crédito da imagem: Jack J. Lissauer , Rebeca I. Dawson , & Scott Tremaine , via Nature 513, 336–344 (18 de setembro de 2014).
Mas a coisa mais importante a tirar não é que podemos pegar o número de planetas candidatos a mundos rochosos nas zonas habitáveis, dizer que isso é de 150.000 estrelas, e dimensionar isso para ~ 400 bilhões de estrelas em nossa galáxia.
Claro, teríamos um número como esse, mas esse número é muito baixo por dois motivos. Não só precisamos multiplicar isso por um número grande para contabilizar aqueles que Kepler não encontrou, mas precisamos contabilizar aqueles que Kepler não encontrou. nunca poderia encontrar !
Crédito de imagem: NASA, de WASP-43b, que não está alinhado para transitar sua estrela-mãe! Através da http://wasp-planets.net/2014/10/10/hubble-maps-the-atmosphere-of-wasp-43b/ .
Você vê, a maioria dos sistemas estelares não são orientados para que Kepler pudesse sempre ver um planeta transitando ao seu redor; a maioria dos sistemas estelares tem um plano orbital inclinado para nossa linha de visão em mais de uma fração de grau.
Para obter uma estimativa do que realmente existe em nossa galáxia, temos que olhar além disso, para qual fração de sistemas estelares esperamos sempre exibir um trânsito! Acontece que, se você estiver olhando para o nosso Sistema Solar como um exemplo, o alinhamento teria que ser extraordinário ter uma chance de detectar nada em absoluto.
Crédito da imagem: eu.
Então, se você está interessado em detectar algo na zona habitável ao redor do nosso Sol, você tem uma chance entre 1 em 300 e 1 em 500 de ter um alinhamento bom o suficiente.
Em outras palavras, se quisermos usar o Kepler como um proxy para o que esperamos no Universo, pegue o que ele encontra e imediatamente multiplique por 300 a 500 , porque a maioria dos sistemas estelares lá fora não estarão alinhados corretamente para transitar sua estrela!
Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech/T. Pilha.
Levando tudo isso – assumindo que Kepler encontrou 8 bons candidatos (de ~ 1.000 planetas confirmados) – que existem cerca de 800 candidatos a planetas rochosos que Kepler encontrou em torno de estrelas, que esperamos mais mundos rochosos do que mundos gasosos, que esses planetas nas zonas habitáveis são aqueles que mais sentimos falta porque Kepler é pouco sensível a eles, e que apenas um em algumas centenas de sistemas é detectável por qualquer método de trânsito, o que obtemos?
Vamos percorrer a matemática muito rapidamente, com otimismo e pessimismo.
Crédito da imagem: Exoplanets Data Explorer, via http://exoplanets.org/plots , do raio candidato planetário (eixo y) plotado contra a razão semi-eixo maior para raio-estrela (eixo x). A Terra tem cerca de 1/11 do raio de Júpiter e a relação a/R* para a Terra é um pouco mais de 100. Como você pode ver, encontramos planetas preferencialmente mais perto para suas estrelas do que isso!
Talvez mundos rochosos do tamanho certo sejam apenas a mesma abundância que digamos, mini-Netunos, pessimista, ou talvez sejam cerca de cinco vezes mais abundantes, otimistas. Talvez sejam representados apenas pelo que encontramos na zona habitável (pessimista), ou talvez haja até 100 vezes mais (otimista). Talvez planetas com até 2 raios terrestres sejam rochosos (duvidoso, mas o mais otimista), ou talvez a Terra seja praticamente a maior que você pode obter e ainda seja rochosa (pessimista). E talvez haja 300 vezes mais devido ao alinhamento (pessimista), ou talvez 500 vezes mais (otimista).
Escala esta para nossos 8 mundos potencialmente habitáveis de 150.000 estrelas, o que obtemos para a galáxia?
Crédito da imagem: Steve Jurvetson .
Para a estimativa pessimista, temos 6,4 bilhões mundos potencialmente habitáveis, e para a estimativa otimista, temos 5 trilhões mundos potencialmente habitáveis, apenas em nossa galáxia! Sim, essa última estimativa é provavelmente muito também otimista, mas lembre-se, em nosso Sistema Solar, temos dois – potencialmente três (se você incluir Vênus) – potencialmente mundos habitáveis. Escolher um número intermediário nos leva a uma estimativa mais razoável e realista de cerca de 40 a 80 bilhões de mundos potencialmente habitáveis na galáxia, sozinho.
Isso não é ruim, mas como você pode ver, nós temos um muito da ciência para fazer antes de sabermos com certeza. Ainda assim, no início de 2015, é um progresso incrível no que diz respeito a aprender o que está por aí!
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