• Começa Com Um Estrondo

Cientistas da NASA Kepler estão fazendo o que parece impossível: transformar pixels em planetas

Esta visão altamente pixelizada do TRAPPIST-1 mostra a quantidade de luz detectada por cada pixel em uma pequena seção da câmera integrada do Kepler. A luz coletada do TRAPPIST-1 é visível no centro da imagem. Não diretamente visíveis são os planetas que orbitam TRAPPIST-1. (NASA Ames / W. Stenzel)

Imagine olhar para um pixel saturado por anos a fio e, de alguma forma, aprender quais mundos vivem ao seu redor. É para isso que serve a ciência!

Quando você pensa no que está lá fora nos vastos recessos do espaço, imagens gloriosas de galáxias, estrelas e novos mundos provavelmente vêm à mente. Uma combinação das melhores imagens do Hubble e algumas belas renderizações artísticas são como visualizamos o Universo, mas não é isso que a maioria dos telescópios ou observatórios vê, e certamente não é onde a maior parte da ciência é feita. A missão Kepler da NASA, famosa por descobrir milhares de planetas fora do nosso Sistema Solar, nunca fotografa um planeta. Em vez disso, eles simplesmente imaginam uma estrela não resolvida, ou mais precisamente, cerca de 100.000 estrelas de uma só vez. Depois de fazer isso por semanas, meses ou anos, eles anunciam a descoberta de planetas candidatos, incluindo propriedades como raio e período orbital. Uma imagem bruta não mostra nada além de pixels de uma estrela saturada, mas é o que você faz com os dados que conta. Aqui está a ciência de como alguns pixels se tornam um sistema solar inteiro.

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. (NASA/R. Hurt/T. Pyle)

TRAPPIST-1 é talvez a mais emocionante das recentes descobertas feitas com a espaçonave Kepler. Embora seja uma estrela pequena e de baixa massa vermelha e fraca, descobrimos um sistema solar incrivelmente prolífico: 7 planetas, todos aproximadamente do tamanho da Terra, incluindo três que podem ter as temperaturas e condições certas para água líquida em sua superfície. O melhor de tudo é que está a apenas 40 anos-luz de distância, o que significa que, em escala galáctica, está bem no nosso próprio quintal. Mas quando você olha através do telescópio Kepler da NASA, que é de onde vêm os melhores dados deste sistema planetário, é isso que você vê.

A área de visualização da Campanha K2 12 do satélite Kepler, que inclui TRAPPIST-1 na região indicada acima. (NASA Ames / W. Stenzel)

Você não vê planetas, não vê órbitas, nem vê nada que diga sobre as propriedades da estrela ou seu sistema solar. Tudo o que você vê é um conjunto de pixels, indicando que você tem algum tipo de fonte de luz. Existem outras fontes de luz próximas – o espaço é um lugar movimentado – e o Kepler está visualizando todas elas ao mesmo tempo, continuamente. Esses dois fatos:

1. que Kepler está imaginando milhares e milhares de estrelas ao mesmo tempo,
2. e que está visualizando todas essas estrelas continuamente, por longos períodos de tempo,

é o que nos permite fazer a ciência incrível que estamos fazendo. Dê uma olhada nesta animação dos dados brutos durante um período de tempo interessantemente longo.

Quando você aplica uma máscara ao TRAPPIST-1, como visto pelo Kepler, e observa como a luz evolui ao longo do tempo, uma enorme quantidade de informações pode ser obtida de alguns pixels aparentemente barulhentos. (Equipe NASA / Kepler / K2 Campaign 12 / Geert Barentsen)

Você notará que o brilho da estrela parece mudar com o tempo. Mas você também notará, se tiver cuidado, que o brilho de fundo de todo o resto – tanto outros objetos quanto o ruído de fundo do próprio espaço – também muda com o tempo. Se você estiver olhando para os dados brutos em si , há coisas que você precisa saber sobre ele antes de tentar fazer qualquer uso dele. Não há correções para manchas de dados em vários pixels nos dados brutos. Não há subtrações de viés incluídas nos dados brutos. O campo (onde não há estrelas) não é plano e, portanto, isso introduz ruído nos dados brutos. Não há sinalizadores para o momento em que os dados são de baixa qualidade, como quando os propulsores da espaçonave disparam. E não há sinalização de raios cósmicos, que podem influenciar o software da espaçonave.

Ainda assim, quando você leva tudo isso em consideração, os próprios dados brutos (pontos vermelhos individuais, abaixo) ainda mostram alguns recursos notáveis ​​que valem a pena serem observados.

Uma curva de luz rápida dos dados de cadência longa para TRAPPIST-1, derivada dos próprios dados brutos, revela padrões senoidais devido a manchas estelares e pelo menos 6 planetas. (Equipe NASA / Kepler / K2 Campaign 12 / Geert Barentsen)

Existem padrões senoidais (periódicos para cima e para baixo), que indicam que há manchas solares na estrela principal: algumas partes da estrela são mais fracas que a média. Além disso, há algumas grandes quedas na quantidade total de luz nos dados de cadência longa, onde entre 0,5% e 1% da luz é temporariamente bloqueada/escurecida ao longo de aproximadamente 30 minutos. Quando você normaliza os dados e faz todas as correções que os dados brutos não possuem, e então adiciona dados de acompanhamento de outros telescópios e observatórios, você pode ver claramente a natureza periódica dos planetas. Quando um mundo transita ou passa na frente da estrela, ele bloqueia uma parte da luz, fazendo com que a estrela pareça mais escura. Com o tempo, esses mergulhos aparecem periodicamente, nos ensinando sobre as órbitas desses mundos.

Este diagrama mostra a mudança de brilho da estrela anã ultra fria TRAPPIST-1 durante um período de 20 dias em setembro e outubro de 2016, conforme medido pelo Telescópio Espacial Spitzer da NASA e muitos outros telescópios no solo. Em muitas ocasiões, o brilho da estrela cai por um curto período e depois volta ao normal. Esses eventos, chamados trânsitos, são devidos a um ou mais dos sete planetas da estrela passando na frente da estrela e bloqueando parte de sua luz. A parte inferior do diagrama mostra quais dos planetas do sistema são responsáveis ​​pelos trânsitos. (ESO/M. Gillon et al.)

Isso nos dá todas as informações de que precisamos para deduzir muitas das propriedades desses mundos.

• Como sabemos o tamanho e o brilho da estrela, podemos deduzir o raio de cada mundo em trânsito.
• Como sabemos a massa da estrela e como funcionam as órbitas, podemos descobrir a distância de cada planeta da estrela.
• Como conhecemos a temperatura da estrela, podemos descobrir quais mundos teriam as condições certas para a água líquida se tivessem atmosferas semelhantes à da Terra.
• E porque esses mundos puxam-se mutuamente , induzindo mudanças sutis nas órbitas uns dos outros, podemos inferir quais deveriam ser suas massas.

Quando você junta tudo isso, veja como esses mundos se parecem, em comparação com os mundos rochosos internos do nosso próprio Sistema Solar.

Quando todas as informações obtidas do Kepler, Spitzer e telescópios terrestres que observaram o TRAPPIST-1 são compiladas, podemos deduzir as massas, raios e parâmetros orbitais de cada um dos mundos descobertos. Eles não são tão diferentes dos quatro mundos rochosos do nosso próprio sistema solar. Estamos morrendo de vontade de saber mais. (NASA / JPL-Caltech / W. Stenzel)

Se você está procurando o mundo mais parecido com a Terra entre todos, sua melhor aposta é a quarta pedra da estrela: TRAPPIST-1e. Claro, está muito mais perto de sua estrela a apenas 3% da nossa distância do Sol e com um período orbital de 6 dias, mas sua estrela é muito menor, mais escura e mais fria. É apenas 9% menor que a Terra e, dentro dos erros, a mesma densidade do nosso mundo. Você pesaria 93% do que pesaria na Terra no TRAPPIST-1e, pois sua gravidade é quase idêntica à nossa. O mais impressionante é que ele tem propriedades consistentes com o fato de ser um mundo denso e rochoso com uma fina atmosfera ao seu redor. De todos os mundos que encontramos orbitando estrelas além do Sol, TRAPPIST-1e, ainda pode ser o mais parecido com a Terra de todos.

Os vários planetas que orbitam em torno de TRAPPIST-1, sete dos quais foram encontrados até agora, todos têm propriedades únicas que podemos inferir de seus tamanhos, massas e parâmetros orbitais. O quarto planeta desta estrela, TRAPPIST-1e, pode ser o mais parecido com a Terra de todos. (NASA/JPL-Caltech)

Apesar de estar em torno de uma anã vermelha e provavelmente preso à sua estrela, os exoplanetas que orbitam TRAPPIST-1 são incrivelmente promissores para condições de vida. Eles variam de assados ​​a temperados a congelados com oceanos subsuperficiais a potencialmente leves e fofos, com envelopes de gás externos. Todas essas informações – sobre os mundos ao redor desta estrela, seus tamanhos, suas órbitas e até suas massas – podem ser derivadas desses minúsculos e saturados pixels de luz que o Kepler captou. E não é apenas este sistema; cada estrela que experimenta trânsitos observados por Kepler mostra isso.

Uma visualização dos planetas encontrados em órbita ao redor de outras estrelas em um trecho específico do céu sondado pela missão Kepler da NASA. Até onde sabemos, praticamente todas as estrelas têm sistemas planetários ao seu redor. (ESO / M. Kornmesser)

Não é a imagem em si que fornece essa informação, mas sim como a luz da imagem muda ao longo do tempo, tanto em relação a todas as outras estrelas quanto em relação a si mesma. As outras estrelas em nossa galáxia têm manchas solares, planetas e sistemas solares ricos próprios. Enquanto o Kepler caminha para sua aposentadoria final e se prepara para ser substituído pelo TESS, reserve um momento para refletir sobre como ele revolucionou nossa visão do Universo. Nunca antes uma quantidade tão pequena de informação nos ensinou tanto.

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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