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.

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.

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.

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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?

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.

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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