Mensageiro Sideral

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Salvador Nogueira é jornalista de ciência e autor de 11 livros

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No caminho para achar a “Terra 2.0”

Por Salvador Nogueira

Ainda pode demorar um bom tempo, mas estamos no caminho para descobrir a cobiçada “Terra 2.0”. É o que afirma o astrônomo Jonathan Fraine, da Universidade de Maryland, nos Estados Unidos, responsável pela primeira detecção de vapor d’água na atmosfera de um planeta de porte relativamente pequeno fora do Sistema Solar.

Está aberta a temporada de caça à Terra 2.0. Quando a encontraremos?
Está aberta a temporada de caça à Terra 2.0. Quando a encontraremos?

O achado, divulgado ontem e publicado na última edição da revista científica britânica “Nature”, é mais um degrau na escalada que envolve passarmos da simples descoberta de mundos extra-solares para sua caracterização detalhada. “Terra 2.0”, claro, é um apelido que se dá a um planeta que reúna praticamente as mesmas condições que o nosso, em termos de dimensões, composição e temperatura.

Menos de duas semanas atrás, outro grupo de astrônomos havia anunciado outro resultado importante nessa busca, ao detectar nuvens de água num objeto similar a um planeta gigante gasoso, maior do que Júpiter. O achado de Fraine e seus colegas dá um passo adiante, ao fazer a detecção num planeta do tamanho aproximado de Netuno — intermediário entre Júpiter e a Terra. E usa uma tecnologia que, ao menos em tese, poderia permitir a detecção de vapor d’água na atmosfera de um planeta rochoso, como o nosso, ainda que um pouco maior.

“A habilidade de estudar as atmosferas de superterras já está ao nosso alcance”, destaca Fraine, em entrevista ao Mensageiro Sideral. A técnica consiste em analisar a luz que vem da estrela-mãe e passa de raspão pelas bordas do planeta antes de chegar até nós, carregando consigo a “assinatura” de compostos químicos que tenha encontrado pelo caminho.

Nesse primeiro momento, por uma questão de facilidade de observação, os astrônomos devem se concentrar na caracterização de planetas mais quentes que a Terra. São inabitáveis, mas já nos darão pistas importantes de como são compostas de fato as tais superterras — planetas maiores que o nosso, mas menores que Netuno, que não têm nenhum exemplar similar em nosso Sistema Solar.

Com o avançar das técnicas e a chegada de novos instrumentos, o estudo de planetas na zona habitável de outras estrelas — a região do sistema em que a superfície planetária recebe a quantidade certa de radiação para ter água em estado líquido — será possível. Para esses mundos, encontrar vapor d’água na atmosfera será como determinar que se trata de um planeta provavelmente amigável à vida.

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Na entrevista, Fraine nos conta de particularidades de sua mais recente descoberta, que só foi possível graças à combinação de observações de três telescópios espaciais e pela sorte de o tal planeta, designado HAT-P-11b, ser livre de nuvens na alta atmosfera.

Concepção artística do planeta HAT-P-11b. Ao passar à frente da estrela, ele permite o estudo de sua atmosfera.
Concepção artística do planeta HAT-P-11b. Ao passar à frente da estrela, ele permite o estudo de sua atmosfera.

Localizado a 122 anos-luz da Terra, ele gira em torno de uma estrela similar ao Sol, mas com quantidade bem maior de elementos pesados em sua composição — um fator que os astrônomos chamam genericamente de “metalicidade” e que pode ter consequências importantes para a formação e a configuração final desses planetas.

O pesquisador, que ainda está por terminar seu doutorado, também revela seu envolvimento em um grande levantamento que pretende investigar a atmosfera de dúzias de exoplanetas em uma tacada só. E fala sobre o que podemos esperar dos futuros telescópios e observatórios na busca pela Terra 2.0. Confira a seguir a conversa que ele teve com o Mensageiro Sideral.

***

Mensageiro Sideral – O fato de que vocês tiveram de usar o Hubble, o Spitzer e o Kepler ao mesmo tempo para fazer essa descoberta mostra como é difícil obter informações espectrais precisas da atmosfera de um exoplaneta. Quão severamente isso limita nossa capacidade atual de caracterizar esses mundos, e como isso vai melhorar com a próxima geração de telescópios em terra e no espaço?

Astrônomo Jonathan Fraine, da Universidade de Maryland, nos EUA.
Astrônomo Jonathan Fraine, da Universidade de Maryland, nos EUA.

Jonathan Fraine – Grande parte do tempo destinado à pesquisa científica é gasto considerando todas as explicações alternativas para os sinais que estamos medindo. Para nossa descoberta, usamos os telescópios espaciais Kepler, Hubble e Spitzer por duas razões importantes e independentes. A primeira, claro, foi medir o espectro mais completo que pudéssemos ter, do óptico ao infravermelho. Especificamente para o vapor d’água, usamos a Câmera de Campo Largo 3 (WFC3) do Hubble para determinar a abundância de água na atmosfera do HAT-P-11b. Mas ainda era possível que a água que estivéssemos detectando não fosse do planeta, mas estivesse localizada em manchas estelares da estrela-mãe; água já foi detectada nas manchas solares da nossa estrela-mãe. Ao combinar medições simultâneas do Kepler e do Spitzer, determinamos que as manchas estelares eram de fato muito quentes para sustentar vapor d’água, e pudemos confirmar que a água que detectamos estava mesmo na atmosfera exoplanetária.

A próxima geração de grandes telescópios irá definitivamente melhorar nossa compreensão do Universo, da cosmologia aos exoplanetas, buracos negros e nosso próprio Sistema Solar. Mas eles vão precisar de outras observações de apoio também. Nosso trabalho com o HAT-P-11b reflete o valor de observações simultâneas e em vários comprimentos de onda para sermos capazes de distinguir entre propriedades planetárias e propriedades estelares.

Mensageiro Sideral – Seria possível obter agora resultados similares aos que vocês conseguiram para planetas do tamanho da Terra ou de superterras, ou estamos limitados à classe dos mundos do tamanho de Netuno no momento?

Fraine – A habilidade de estudar as atmosferas de superterras já está ao nosso alcance. Temos a tecnologia, a WFC3 do Hubble, e já a usamos; infelizmente, a física entrou no nosso caminho. Inesperadas nuvens de grande altitude são mantidas pelas propriedades químicas e dinâmicas de suas atmosferas. Os exoplanetas GJ 1214b e HD 97658b, ambos superterras, foram observados tanto com a WFC3 como com o Spitzer, mas ambos não tiveram detecções moleculares. O cenário mais provável é que as nuvens na alta atmosfera estejam bloqueando ou espalhando toda a luz para longe dos nossos detectores. Isso significa que não podemos confirmar nada sobre a composição desses planetas diretamente, mas podemos indiretamente concluir que nuvens estão obscurecendo a atmosfera que existe embaixo delas.

A descoberta mais significativa da nossa pesquisa é na verdade que encontramos uma atmosfera limpa num exoplaneta pequeno. Antes do nosso resultado, os outros quatro planetas (superterras e Netunos) que observamos com o Hubble todos tinham nuvens em sua alta atmosfera. A comunidade começou a inferir que todos os exoplanetas pequenos e quentes se formavam de maneira a produzir essas nuvens. Se essa inferência fosse verdadeira, então não teríamos sido capazes de usar espectroscopia de transmissão — a técnica que usamos no HAT-P-11b — para determinar as abundâncias moleculares de pequenos exoplanetas. Mas agora que de fato descobrimos uma atmosfera limpa em um exoplaneta pequeno, passa a ser um jogo de estatística. Minha equipe está atualmente buscando essas estatísticas. Nós e outros grupos estamos aí fora procurando céus claros em outros planetas, tentando entender onde e como as nuvens se formam, assim como qual é a diversidade de composições para os exoplanetas pequenos e grandes. Os exoplanetas dão contexto à nossa própria existência, mas primeiro temos de colocar contexto estatístico nessa nossa descoberta em particular.

Um exoplaneta nublado em comparação com o HAT-P-11b, que tem céus livres e permite o estudo de sua atmosfera.
Um exoplaneta nublado em comparação com o HAT-P-11b, que tem céus livres e permite o estudo de sua atmosfera.

Mensageiro Sideral – Detectar vapor d’água em um exoplaneta é uma perspectiva empolgante, já que água é tão essencial à vida. Mas é uma coisa achá-la num Netuno quente e outra encontrá-la numa Terra temperada, um planeta como o nosso, certo? Haveria alguma diferença técnica, em termos de traços espectrais, entre detectar vapor d’água como parte de um ciclo hidrológico ou simplesmente como vapor na alta atmosfera?

Fraine – Você está precisamente correto. O HAT-P-11b não é um mundo habitável segundo nosso entendimento. Mas a técnica que nós usamos, espectroscopia de transmissão, pode de fato ser usada para estudar planetas menores, possivelmente do tamanho da Terra. No entanto, para colocar isso em contexto, a atmosfera do HAT-P-11b é cerca de 25% vapor d’água, e a atmosfera da Terra é cerca de 1% vapor d’água (e isso varia de acordo com a umidade local). Então a busca pela Terra 2.0 pode estar no futuro distante, mas pelo menos sabemos que o trem está no trilho certo. Para chegar lá, precisaremos de telescópios grandes e especializados, com instrumentos precisos e sensíveis focados na caracterização de exoplanetas. E eles provavelmente terão de estar no espaço, pois, se vamos procurar um mundo como a Terra, nossa própria atmosfera irá interferir significativamente com as assinaturas do exoplaneta. Seria como procurar uma rosa vermelha enquanto se usa óculos de lentes vermelhas.

Mensageiro Sideral – Um dos lampejos mais interessantes do seu trabalho parece ser a ligação relacionada à metalicidade. Precisamos agora presumir que metalicidades diferentes produzem planetas diferentes. Quão diferente o HAP-P-11b é do nosso bom e velho Netuno, além da temperatura, que é bem mais alta nesse exoplaneta?

Fraine – Nosso próprio Netuno é enriquecido em elementos pesados cerca de 50 vezes mais que a composição solar — essa é a chamada “metalicidade”. Nossos resultados para o HAT-P-11b mostram que a atmosfera do exoplaneta poderia ter até 700 vezes a metalicidade solar. O cenário mais provável está na casa de 200 vezes a metalicidade solar, mas esse resultado não é tão fortemente presumível a partir dos dados, então mencionamos no trabalho um limite superior de 700 vezes a solar. A metalicidade é uma medida importante de formação de planetas, pois estabelece a disponibilidade de elementos para semear a química atmosférica. Especialmente na faixa dos Netunos quentes e dos planetas do tamanho das superterras. Essa faixa de massas, raios e temperaturas é muito variada em propriedades gerais como densidade e composição. Portanto, adicionar mais material — especialmente muito mais material — pode induzir a mudanças de abundância atmosférica entre grandes categorias de composições, como metano versus monóxido de carbono, ou atmosfera com nuvens versus atmosfera limpa.

Medir a metalicidade relativa à estrela-mãe pode nos ajudar a entender onde e como no ambiente natal rico em gás — o disco protoplanetário — cada planeta se formou. Neste ponto, ainda não temos indicações significativas sobre os impactos da metalicidade, mas os intervalos e os valores mais prováveis apontam que o HAT-P-11b surgiu de um processo de formação similar ao que levou ao surgimento do nosso Netuno, chamado de “acreção de núcleo”, ou “de dentro para fora”, como gosto de chamá-lo.

Mensageiro Sideral – Você fez ou planeja fazer medições similares em outros sistemas exoplanetários?

Fraine – Já trabalhei em projetos similares antes, especificamente com a GJ 1214b (uma superterra muito estudada). Minha equipe usou o Telescópio Espacial Spitzer para olhar para a GJ 1214 (a estrela-mãe) por 20,2 dias quase continuamente. Estávamos procurando uma Terra habitável escondida no sistema. Não encontramos esse planeta, mas fomos capazes de medir com precisão incrivelmente alta o raio do planeta que de fato existe lá em dois comprimentos de onda, fornecendo a primeira confirmação altamente significativa de uma atmosfera com nuvens. Nossa equipe também usou essas mesmas observações para medir a temperatura do GJ 1214b, que é frio demais para os instrumentos atuais [mas quente em comparação com a Terra], de modo que precisamos de muitas medições repetidas.

Estou atualmente trabalhando em mais duas observações com a WFC3 do Hubble, ambas para Jupíteres Quentes. E também faço parte de uma colaboração chamada ACCESS (Levantamento de Espectroscopia de Exoplanetas de Arizona-CfA-Católica), onde estamos realizando um levantamento uniforme e de larga escala de dezenas de espectros de exoplanetas usando o telescópio Magellan de 6,5 metros, no Chile. Aliás, estou neste momento no Havaí obtendo dados no telescópio Keck, de 10 metros, para esse mesmo projeto colaborativo.

A ciência dos exoplanetas busca colocar em contexto nossa existência, ao estudar a diversidade desses mundos em suas diferentes arquiteturas e composições planetárias. Estou fazendo a minha parte ao medir a composição de tantos exoplanetas quanto possível com os melhores instrumentos para o serviço. Terminarei meu doutorado neste ano também e espero continuar esses projetos como meu próximo passo na carreira.

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