• Começa com um estrondo

Poderíamos usar a gravidade do Sol para encontrar vida alienígena?

Com um telescópio na distância certa do Sol, poderíamos usar sua gravidade para melhorar e ampliar um planeta potencialmente habitado.

Principais conclusões

• A lente gravitacional é um dos fenômenos astronômicos mais poderosos que existem, capaz de esticar e ampliar a luz de um objeto de fundo que é 'lente' por um objeto massivo em primeiro plano.
• Nossa fonte de gravidade próxima mais forte, o Sol, é capaz de produzir uma lente gravitacional, mas apenas se a geometria estiver correta: condições que não começam até que estejamos 547 vezes a distância Terra-Sol.
• No entanto, enviar uma espaçonave a essa distância precisa, com o alinhamento adequado para ver um planeta habitado, pode revelar detalhes que nunca veremos de outra forma. Embora seja um tiro no escuro, é algo que nossos descendentes distantes podem querer perseguir.

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Desde que os primeiros ancestrais humanos voltaram seus olhos para o dossel de luz brilhando no céu noturno, não pudemos deixar de nos perguntar sobre os outros mundos lá fora e quais segredos eles podem guardar. Estamos sozinhos no Universo, ou existem outros planetas vivos por aí? A Terra é única, com uma biosfera saturada onde praticamente todos os nichos ecológicos estão ocupados, ou isso é uma ocorrência comum? Somos raros em ter a vida se sustentando e prosperando por bilhões de anos, ou existem muitos planetas como o nosso? E nós somos as únicas espécies inteligentes e tecnologicamente avançadas que existem, ou existem outras com as quais podemos nos comunicar?

Por incontáveis ​​milênios, essas foram perguntas sobre as quais só pudemos especular. Mas aqui, no século 21, finalmente temos a tecnologia para começar a responder a essas perguntas de maneira científica. Nós temos já descobriu mais de 5000 exoplanetas : planetas em órbita em torno de estrelas que não o nosso próprio Sol. Na década de 2030, a NASA provavelmente projetará e construirá um telescópio capaz de determinar se algum dos exoplanetas do tamanho da Terra mais próximos de nós é realmente habitado . E com a tecnologia futura, podemos até conseguir imagens de alienígenas diretamente .

Mas recentemente, uma proposta ainda mais selvagem foi apresentada: usar a gravidade do Sol para criar imagens de um planeta potencialmente habitado , produzindo uma imagem de alta resolução que revelaria características da superfície para nós daqui a apenas 25-30 anos. É uma possibilidade atraente e incrível, mas como ela se compara à realidade? Vamos dar uma olhada por dentro.

Quando ocorre um evento de microlente gravitacional, a luz de fundo de uma estrela fica distorcida e ampliada à medida que uma massa intermediária viaja através ou perto da linha de visão da estrela. O efeito da gravidade interveniente dobra o espaço entre a luz e os nossos olhos, criando um sinal específico que revela a massa e a velocidade do objeto interveniente em questão. Todas as massas são capazes de desviar a luz por meio de lentes gravitacionais, mas usar o Sol como uma lente gravitacional exigiria viajar uma grande distância enquanto bloqueava simultaneamente a luz emitida pelo próprio Sol.

O conceito: uma lente gravitacional solar

A lente gravitacional é um fenômeno notável, previsto pela primeira vez dentro da Relatividade Geral de Einstein há mais de cem anos. A ideia básica é que matéria e energia, em todas as suas formas, podem dobrar e distorcer o próprio tecido do espaço-tempo de sua presença. Quanto mais massa e energia você reunir em um só lugar, mais severamente distorcida será a curvatura do espaço. Quando a luz de uma fonte de fundo passa por esse espaço curvo, ela é dobrada, distorcida, esticada em áreas maiores e ampliada. Dependendo do alinhamento da fonte, do observador e da massa que está fazendo a lente, melhorias de fatores de centenas, milhares ou até mais podem ser possíveis.

Nosso Sol foi a fonte do primeiro fenômeno de lente gravitacional já observado: onde a luz das estrelas de fundo que passaram perto do contorno do Sol durante um eclipse solar total foi vista desviando de sua posição real. Embora o efeito tenha sido previsto para ser muito leve - menos de 2 segundos de arco (onde cada segundo de arco é 1/3600 de grau) na borda da fotosfera solar - foi observado e determinado a concordar com as previsões de Einstein, refutando a alternativa newtoniana. Desde então, a lente gravitacional tem sido um fenômeno conhecido e útil em astronomia, com as lentes gravitacionais mais massivas muitas vezes revelando os objetos mais distantes e fracos de todos que seriam obscuros devido às nossas atuais limitações tecnológicas.

Os resultados da expedição de Eddington de 1919 mostraram, de forma conclusiva, que a Teoria Geral da Relatividade descrevia a curvatura da luz das estrelas em torno de objetos massivos, derrubando a imagem newtoniana. Esta foi a primeira confirmação observacional da teoria da gravidade de Einstein.

Possibilidades teóricas

A ideia de usar o Sol como uma lente gravitacional eficaz para fazer imagens diretas de exoplanetas, no entanto, requer um tremendo salto na imaginação. O Sol, embora massivo, não é um objeto particularmente compacto: tem aproximadamente 1,4 milhão de quilômetros (865.000 milhas) de diâmetro. Como acontece com qualquer objeto massivo, a geometria mais perfeita que você pode imaginar é alinhar um objeto com ele e usar o Sol como uma lente para “focar” a luz desse objeto ao seu redor em um ponto. Isso é semelhante ao funcionamento de uma lente óptica convergente: os raios de luz vêm de um objeto distante, paralelos um ao outro, todos atingem a lente e a lente focaliza essa luz até um ponto.

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Para uma lente óptica, a própria lente tem propriedades físicas, como um raio de curvatura e uma distância focal. Dependendo de quão longe o objeto que você está observando está da lente, a lente focará uma imagem nítida desse objeto a uma distância igual ou maior que a distância focal da lente. Embora a física seja muito diferente para uma lente gravitacional, o conceito é muito semelhante. Uma fonte de luz ultradistante terá sua forma estendida em forma de anel com alinhamento perfeito – um anel de Einstein – onde você deve estar pelo menos a uma “distância focal” da própria lente para que a luz seja adequadamente convergem.

Este objeto não é uma galáxia de anel único, mas sim duas galáxias a distâncias muito diferentes uma da outra: uma galáxia vermelha próxima e uma galáxia azul mais distante. Eles estão simplesmente na mesma linha de visão, e a galáxia de fundo está sendo gravitacionalmente captada pela galáxia em primeiro plano. O resultado é um anel quase perfeito, que seria conhecido como anel de Einstein se fizesse um círculo completo de 360 ​​graus. É visualmente impressionante e mostra que tipos de ampliação e alongamento uma geometria de lente quase perfeita pode criar.

Para uma lente gravitacional com a massa do nosso Sol, essa distância focal se traduz em uma distância pelo menos 547 vezes mais distante do Sol do que a Terra está atualmente. Em outras palavras, se chamarmos a distância Terra-Sol de unidade astronômica (UA), precisamos enviar uma espaçonave pelo menos 548 UA. longe do Sol, a fim de obter o benefício de usar o Sol para capturar gravitacionalmente um alvo de interesse. Como foi calculado recentemente em uma proposta submetida à NASA , uma nave espacial que poderia ser:

• estacionado neste local,
• alinhado com o Sol e um exoplaneta de interesse,
• e que foi equipado com o equipamento adequado, como um coronógrafo, uma câmera de imagem e um espelho primário suficientemente grande,

poderia imaginar um exoplaneta do tamanho da Terra a 100 anos-luz de nós com uma resolução de apenas dezenas de quilômetros por pixel. Correspondendo a uma resolução de cerca de 0,1 bilionésimos de segundo de arco, representaria uma melhoria de cerca de um fator de ~ 1.000.000 no poder de resolução sobre os melhores telescópios modernos que foram projetados, planejados e que estão em construção hoje. A ideia de um telescópio gravitacional solar oferece uma possibilidade tremendamente poderosa para explorar nosso Universo, e não deve ser tomada de ânimo leve.

Imagens da Terra, à esquerda, em monocromático com resolução de ~16k pixels e em cores com resolução de ~1M pixel, seguidas pelas imagens borradas (centro) que provavelmente serão observadas por um telescópio gravitacional solar e (à direita) as imagens reconstruídas imagens que poderiam ser feitas analisando adequadamente os dados.

Limitações práticas

É claro que todos os grandes sonhos, por mais importantes que sejam para estimular nossa imaginação e nos estimular a criar o futuro que gostaríamos de ver, precisam ser enfrentados com uma verificação da realidade. o autores da proposta afirmaram que uma nave espacial poderia ser lançada para este destino e poderia começar a imaginar um exoplaneta alvo em apenas 25-30 anos.

Isso, infelizmente, está muito além dos limites da tecnologia atual. Os autores exigem que a espaçonave aproveite a tecnologia de vela solar que ainda não existe.

Compare isso com a nossa realidade atual, onde as únicas cinco espaçonaves que estão em trajetórias atuais para existir o Sistema Solar são Voyager 1, Voyager 2, Pioneer 10, Pioneer 11 e New Horizons. De todas essas naves espaciais, A Voyager 1 é atualmente a mais distante e também está deixando o Sistema Solar o mais rápido , e ainda nos 45 anos desde que foi lançado, ele percorreu apenas aproximadamente um quarto da distância necessária. Ele também alavancou vários sobrevoos planetários para fornecer assistências gravitacionais, que também o lançaram para fora do plano do Sistema Solar e o lançaram em uma trajetória que não pode mais ser controlada ou mesmo alterada o suficiente.

Embora a Pioneer 10 tenha sido a primeira espaçonave lançada, em 1972, com uma trajetória que a levaria para fora do Sistema Solar, foi superada pela Voyager 1 em 1998 e será superada pela Voyager 2 em 2023 e pela New Horizons no final dos anos 2100. Nenhuma outra missão já lançada está programada para ultrapassar a Voyager 1, que atualmente é a espaçonave criada pelo homem mais distante e mais rápida.

Sim, poderíamos fazer algo semelhante hoje, mas mesmo que o fizéssemos, levaria quase 200 anos para a espaçonave atingir seu alvo. A menos que desenvolvamos uma nova tecnologia de propulsão, a combinação de combustível de foguete e assistência gravitacional não é realmente capaz de nos levar à distância necessária em um curto período de tempo.

Mas esse não é o único problema ou limitação com o qual precisaríamos contar. Para qualquer alvo planetário que sonhássemos em obter imagens, a “linha imaginária” na qual o Sol focaria a luz desse planeta tem apenas cerca de 1 a 2 quilômetros de largura. Teríamos que lançar a espaçonave com tanta precisão que ela não simplesmente atingisse aquela linha, mas que permanecesse naquela linha, e essa é uma linha que não começa até estarmos a quase 100 bilhões de quilômetros de distância do Sol. Para comparação, a espaçonave New Horizons, lançada da Terra a Plutão, conseguiu atingir seu alvo – a apenas 6% da distância que um telescópio gravitacional solar precisaria alcançar – com uma precisão impressionante de apenas ~ 800 quilômetros . Teríamos que fazer quase mil vezes melhor em uma jornada que é mais de dez vezes distante.

Apenas 15 minutos depois de passar por Plutão em 14 de julho de 2015, a espaçonave New Horizons capturou esta imagem olhando para o fraco crescente de Plutão iluminado pelo Sol. As características geladas, incluindo várias camadas de névoas atmosféricas, são de tirar o fôlego. A New Horizons continua a partir do Sistema Solar e algum dia ultrapassará as duas espaçonaves Pioneer (mas nenhuma das Voyager). Chegou em poucos minutos e a apenas 800 quilômetros do ideal calculado; uma quantidade precisa, mas não suficientemente precisa, para um telescópio gravitacional solar.

Mas então, além disso, teríamos que fazer algo que nunca fizemos antes: uma vez que a espaçonave chegasse ao seu destino, teríamos que desacelerá-la e mantê-la de forma estável naquela linha de 1-2 km de largura. para obter imagens do planeta com sucesso. Isso significa carregar a espaçonave com propulsor a bordo suficiente para que ela possa desacelerar com sucesso ou desenvolver a tecnologia em que ela possa navegar automaticamente para encontrar, direcionar-se e permitir-se permanecer nessa linha imaginária para que ela pode realizar a imagem necessária.

Mais avanços tecnológicos são necessários para viabilizar essa missão, além da tecnologia atual. Precisaríamos de um “coronógrafo duplo” bem-sucedido, um para bloquear a luz do nosso próprio Sol e outro para bloquear com sucesso a luz da estrela-mãe cuja luz poderia sobrecarregar a luz do planeta alvo. Precisaríamos desenvolver uma “tecnologia de apontamento” muito superior aos limites da tecnologia atual, pois o objetivo é se mover dentro desse cilindro de 1 a 2 quilômetros de largura para construir um mapa completo do planeta. Isso exigiria tecnologia de apontamento e estabilidade que representa aproximadamente um fator de melhoria de ~300 em relação ao que um telescópio como o Hubble ou o JWST pode alcançar hoje; um salto notável que vai além de nossas capacidades atuais.

Esta imagem de 1990 foi a imagem de “primeira luz” do então novíssimo Telescópio Espacial Hubble. Devido à falta de interferência atmosférica junto com a grande abertura do Hubble, ele foi capaz de resolver vários componentes de um sistema estelar que um telescópio terrestre não poderia resolver. Quando se trata de resolução, o número de comprimentos de onda de luz que se encaixam no diâmetro do seu espelho primário é o fator mais importante, mas isso pode ser aprimorado por lentes gravitacionais. Para obter a imagem de um alvo de forma impecável, o apontamento do telescópio deve permanecer preciso o suficiente para que os dados de um pixel não passem para os pixels adjacentes.

A proposta procura superar algumas dessas dificuldades apelando para novas tecnologias, mas essas novas tecnologias têm suas próprias desvantagens. Por um lado, em vez de uma única espaçonave, eles propõem o uso de uma série de pequenos satélites, cada um com telescópios de aproximadamente 1 metro a bordo. Embora cada satélite, se chegasse ao destino adequado, poderia tirar uma imagem que correspondesse a um determinado “pixel” na superfície do planeta, mas seria necessário um milhão desses pixels para atingir o objetivo de criar uma imagem megapixel, e em vez de precisar para guiar com precisão uma espaçonave até um alvo difícil de atingir, você precisaria enviar uma série delas, aumentando a dificuldade.

Por outro lado, eles propõem chicotear essas espaçonaves dentro de ~ 10 milhões de quilômetros do Sol para dar-lhes uma assistência gravitacional, mas essas distâncias arriscam fritar muitos componentes do satélite, incluindo a vela solar necessária; algo que exige avanços em materiais que ainda não ocorreram. E nas acelerações necessárias perto do periélio – em distâncias comparáveis ​​à aproximação mais próxima da Parker Solar Probe – os próprios suportes da vela não teriam força material suficiente para suportar a força que eles experimentariam. Todas essas soluções propostas, para tornar a jornada mais viável, vêm acompanhadas de problemas que ainda não foram superados.

Além disso, essa missão só seria viável para um alvo: teríamos um planeta que poderíamos escolher para criar imagens com uma missão como essa. Dado que os alinhamentos ópticos precisam ser precisos em mais de um bilionésimo de um segundo de arco para tornar esse tipo de imagem possível, é uma missão extremamente cara e de alto risco, a menos que já saibamos que é provável que seja um planeta habitado. com características interessantes para a imagem. Tal planeta, é claro, ainda não foi identificado.

51 Eri b foi descoberto em 2014 pelo Gemini Planet Imager. Com 2 massas de Júpiter, é o exoplaneta mais frio e de menor massa até hoje, e orbita apenas 12 unidades astronômicas de sua estrela-mãe. Para obter imagens de seres na superfície deste mundo, seria necessário um telescópio com bilhões de vezes a nossa melhor resolução atual.

Qual é o melhor que podemos realisticamente esperar?

O melhor que podemos esperar é buscar o desenvolvimento de novas tecnologias para um conceito avançado como este - um novo coronógrafo, maior precisão no apontamento do telescópio, tecnologias de foguetes que permitem maior precisão ao atingir um alvo distante e desacelerar para permanecer em tal ponto. um alvo - ao mesmo tempo em que investe em tecnologias de curto prazo que revelariam exoplanetas que realmente são habitados. Enquanto os telescópios e observatórios de hoje são capazes de:

• medindo o conteúdo atmosférico de planetas semelhantes a Netuno (ou maiores) que transitam na frente de suas estrelas-mãe,
• enquanto visualiza diretamente grandes exoplanetas gigantes que estão localizados a pelo menos dezenas de UA. de suas estrelas-mãe,
• e potencialmente caracterizar as atmosferas de exoplanetas até tamanhos de super-Terra (ou mini-Netuno) em torno das estrelas anãs vermelhas de menor massa e mais frias,

o objetivo de medir a habitabilidade de um planeta do tamanho da Terra em torno de uma estrela parecida com o Sol continua fora de alcance com a atual geração de observatórios. No entanto, a próxima missão astrofísica emblemática da NASA após o Telescópio Romano Nancy Grace - um super-Hubble que seria maior que JWST e equipado com um coronógrafo de última geração – poderia encontrar nosso primeiro exoplaneta verdadeiramente habitado do tamanho da Terra potencialmente no final da década de 2030.

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 mais 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.

O planeta mais interessante de se imaginar, do ponto de vista da habitabilidade, seria aquele que “saturasse” sua biosfera com vida, assim como a Terra. Não precisamos imaginar um exoplaneta em detalhes sangrentos para detectar tal mudança; simplesmente medir um único pixel de luz e como ele muda ao longo do tempo pode revelar:

• se a cobertura de nuvens muda à medida que o planeta gira,
• se tem oceanos, calotas polares e continentes,
• se tem estações que causam mudanças de cores planetárias, como de marrom a verde a marrom,
• se as proporções de gases na atmosfera mudam ao longo do tempo, como acontece com gases como o dióxido de carbono aqui na Terra,
• e se existem bioassinaturas moleculares complexas presentes na atmosfera do planeta.

Mas assim que tivermos nossos primeiros sinais de um exoplaneta habitado, queremos dar o próximo passo e saber com precisão, com o maior detalhe possível, como ele se parece. A ideia de usar um telescópio gravitacional solar oferece a possibilidade mais realista de criar uma imagem de alta resolução da superfície de um exoplaneta sem ter que enviar fisicamente uma sonda espacial a vários anos-luz de distância para outro sistema planetário. No entanto, estamos longe de poder realizar tal missão em escalas de tempo de duas ou três décadas; este é um projeto de vários séculos para investirmos. Isso não significa que não vale a pena, no entanto. Às vezes, o passo mais importante para alcançar uma meta de longo prazo é simplesmente descobrir pelo que lutar.

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