A TESS está revolucionando nossa compreensão dos planetas na vizinhança solar. Mas encontrar novos mundos é apenas o começo.
Em 1995, os astrônomos descobriram o primeiro planeta extrasolar orbitando uma estrela semelhante ao Sol. Dez anos depois, a pesquisa de exoplanetas ainda estava engatinhando. Os pesquisadores ainda não tinham certeza se os planetas circulando outras estrelas eram abundantes ou raros. Assim, membros do meu pequeno grupo de pesquisa de satélite no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT abriram discussões com nossos vizinhos no Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). Refletimos sobre como poderíamos redirecionar o High Energy Transient Explorer-2 (HETE-2), que havíamos lançado em 2000, para procurar sinais de planetas extra-solares à medida que passavam na frente de suas estrelas hospedeiras.
Sabíamos que nossos rastreadores de estrelas construídos pelo MIT eram capazes de detectar mudanças de apenas 0,1 por cento no brilho de uma estrela. Este nível de precisão nos permitiria localizar trânsitos de planetas próximos do tamanho de Júpiter – os chamados Júpiteres quentes – orbitando estrelas do tipo solar. Então, em 2005, propusemos à NASA que HETE-2 recebesse uma nova tarefa e um novo nome. Rebatizado de Pesquisa Experimental de Trânsito de Exoplaneta Quente (HETE-S), ela realizaria uma pesquisa de quase todo o céu para o trânsito de Júpiteres quentes a baixo custo (aproximadamente US $ 2 milhões por ano) por cinco anos. Infelizmente, a NASA recusou nossa proposta, observando que o Telescópio Espacial Kepler, consideravelmente mais capaz – uma missão muito maior, de US $ 600 milhões, dedicada a encontrar exoplanetas observando-os transitar por suas estrelas hospedeiras – seria lançado em breve.
Portanto, HETE-S nunca existiu. Mas desde sua concepção nasceu o Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Esta missão é o resultado de mais de um esforço de uma década, com o objetivo principal de descobrir exoplanetas em trânsito em nossa vizinhança solar que estão prontos para serem acompanhados com a próxima geração de telescópios.
A TESS nasce
Embora a NASA tenha rejeitado nossa proposta de HETE-S, percebemos que um pequeno satélite baseado em HETE-2 e equipado com câmeras mais novas poderia ter um custo baixo o suficiente para financiamento privado. Este novo satélite, que chamamos de TESS-P (P para privado), poderia realizar uma pesquisa de campo amplo raso de todo o céu, complementando a pesquisa de campo estreito de 100 graus quadrados de profundidade da Kepler cobrindo um campo 400 vezes maior.
Durante 2006 e 2007, a Fundação Kavli, o Observatório Astrofísico Smithsonian, o Google e um grupo de doadores departamentais e privados do MIT buscaram financiamento para o TESS. Infelizmente, ocorreu a Grande Recessão e a maioria dos nossos possíveis doadores não conseguiu mais financiar nosso plano.
Assim, quando a NASA anunciou uma solicitação de missão Astrophysics Small Explorer (SMEX) em 2008, começamos a trabalhar em nosso conceito como uma missão SMEX com apenas dois meses antes do prazo final da proposta de dezembro. O TESS sobreviveu como uma das três propostas de missão selecionadas para um estudo detalhado da Fase A; infelizmente, não foi selecionado para voo após a conclusão da Fase A em 2009.
Imediatamente começamos o planejamento para a próxima solicitação da NASA, para a qual as propostas eram devidas em 2011. Mais uma vez, a NASA selecionou o TESS para um estudo de Fase A de um ano, desta vez como uma missão Explorador de Classe Média (MIDEX). Fomos recebidos com sucesso: TESS foi selecionado e financiado como o vencedor do MIDEX em abril de 2013!
A órbita exclusiva de 13,7 dias do TESS em torno da Terra coloca o satélite em uma ressonância 2: 1 com a Lua, o que significa que a espaçonave completa duas órbitas para cada órbita de nossa Lua. Durante esse tempo, o TESS chega tão perto da Terra quanto 67.000 milhas (107.800 km) no perigeu e oscila até 232.000 milhas (373.400 km) no apogeu. Para alcançar esta órbita, o TESS passou por uma série de três órbitas de transferência e um sobrevôo lunar, chegando finalmente à sua órbita P / 2 final 42 dias após o lançamento.
Durante os cinco anos seguintes, montamos uma equipe altamente qualificada e dedicada para projetar, construir, voar e extrair dados científicos do TESS. Essa equipe, que no final das contas dedicou mais de um milhão de horas ao esforço, incluiu membros do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, Laboratório Lincoln do MIT, CfA Harvard-Smithsonian, Centro de Voo Espacial Goddard da NASA e Centro de Pesquisa Ames, Orbital ATK ( agora parte da Northrop Grumman), The Aerospace Corporation, Space Telescope Science Institute e SpaceX. Além disso, uma equipe científica composta por astrônomos de mais de uma dúzia de universidades em todo o mundo colaborou para montar o programa de observação TESS.
Ter uma boa visão
O TESS entrou em desenvolvimento em 2014 com o objetivo principal da ciência de pesquisar em todo o céu os melhores 1.000 pequenos exoplanetas em 200 anos-luz – ou seja, a vizinhança solar. ?Melhor? neste caso significa exoplanetas com massas mensuráveis, bem como atmosferas que podem ser estudadas com o próximo James Webb Space Telescope (JWST). Essencialmente, o TESS seria um buscador para Webb, em busca de exoplanetas do tamanho da Terra orbitando as estrelas anãs M menores e semelhantes ao Sol mais brilhantes em cerca de 200 anos-luz de nosso sistema solar. O TESS também serviria como uma ponte da (agora extinta) missão Kepler para Webb, bem como outras grandes missões espaciais de imagens de exoplanetas com datas de lançamento na década de 2030 e além.
A parte mais crítica do planejamento da missão foi selecionar uma órbita para o TESS que proporcionasse uma visão livre de obstáculos – a saber, a Terra. O TESS precisava monitorar continuamente um enorme campo de visão (mais de 2.000 graus quadrados) por semanas a fio. Para encontrar planetas, ele precisaria ver pelo menos dois ou três trânsitos – e um trânsito de um planeta pequeno pode durar apenas uma ou duas horas a cada duas semanas. Com base nessa taxa de coleta de dados, o TESS também precisaria fazer o downlink de um grande número de imagens para que os observadores em solo pesquisassem.
Órbitas muito distantes da Terra – como a órbita heliocêntrica de 6,2 milhões de milhas (10 milhões de quilômetros) do Kepler ou a órbita planejada de 900.000 milhas (1,5 milhões de km) do JWST em torno do ponto Terra-Sol Lagrange 2 – pareciam desejáveis. Mas a comunicação a partir dessas distâncias excederia qualquer orçamento razoável de tempo de antena que uma pequena missão poderia esperar da Deep Space Network da NASA.
A solução acabou sendo um novo tipo de órbita elíptica, em que o satélite passa parte de seu tempo perto da Terra para downlink de dados, mas a maior parte do tempo a uma distância comparável à distância da Lua da Terra. Geralmente, tais órbitas são notoriamente instáveis e podem resultar em uma nave espacial colidir com a Lua ou a Terra dentro de alguns anos. Nossa solução única acabou sendo uma órbita quase mágica em uma ressonância 2: 1 favorável com a órbita da Lua ao redor da Terra. Como essa órbita P / 2 específica nunca havia sido usada anteriormente em uma missão espacial, nossa equipe gastou muito tempo analisando como estabelecê-la e mantê-la.
Para ter certeza de nossos resultados, tínhamos dois grupos diferentes – um na The Aerospace Corporation e um na NASA Goddard – trabalhando independentemente nos cálculos. No final, nossa órbita P / 2 era elegante e prática. Ele até ofereceu várias vantagens importantes, algumas das quais nos surpreenderam – especialmente a excelente estabilidade térmica de nossas câmeras e os baixos níveis de radiação experimentados pela espaçonave. Outras vantagens incluíram altas taxas de downlink e baixa luz de fundo dispersa.
Sucesso da missão primária
Em 18 de abril de 2018, um foguete SpaceX Falcon 9 transportando o TESS rugiu para o espaço. O TESS chegou em sua órbita P / 2 final 42 dias depois, e a primeira observação de pesquisa da nossa missão principal começou em 8 de julho. Nos dois anos seguintes, as quatro câmeras CCD de campo amplo da TESS sistematicamente cruzaram o céu. Durante o primeiro ano, o TESS observou 13 ?setores? do hemisfério sul de 24 ° por 96 ° de tamanho por 27,4 dias cada. Em seu segundo ano, a TESS passou a observar 13 setores de tamanhos iguais no céu do norte.
Sucesso da missão primária
Em 18 de abril de 2018, um foguete SpaceX Falcon 9 transportando o TESS rugiu para o espaço. O TESS chegou em sua órbita P / 2 final 42 dias depois, e a primeira observação de pesquisa da nossa missão principal começou em 8 de julho. Nos dois anos seguintes, as quatro câmeras CCD de campo amplo da TESS sistematicamente cruzaram o céu. Durante o primeiro ano, o TESS observou 13 “setores” do hemisfério sul de 24 ° por 96 ° de tamanho por 27,4 dias cada. Em seu segundo ano, a TESS passou a observar 13 setores de tamanhos iguais no céu do norte.
A mangueira de fogo de dados dos primeiros três anos do TESS rendeu milhares de novos candidatos a planetas espalhados por todo o céu. E a tarefa de identificar as estrelas anfitriãs desses candidatos recaiu principalmente sobre um pequeno e dedicado grupo de analistas. Composto principalmente por alunos e pós-doutorandos do MIT e do Harvard-Smithsonian CfA, este grupo – a equipe TESS Objects of Interest (TOI) – tem trabalhado nos últimos três anos, examinando curvas de luz para mais de 10 milhões de estrelas mais brilhantes do que a magnitude 13.
Seus milhares de horas de esforço renderam aproximadamente 3.000 novos candidatos a exoplanetas. Estimamos que, em meados desta década, esse enorme esforço de detetive – que será auxiliado por novos métodos de inteligência artificial atualmente em desenvolvimento – terá revelado até 10.000 novos candidatos a planetas. Esta imensa coleção deve compreender essencialmente todos os melhores candidatos a exoplanetas na vizinhança solar para um acompanhamento detalhado e caracterização atmosférica.
O Programa de Observação de Acompanhamento TESS (TFOP), coordenado por nossos colegas do Observatório Astrofísico Smithsonian, é um esforço mundial de mais de 550 astrônomos em 100 instituições. Esses pesquisadores analisam e acompanham esse rico tesouro de TOIs usando cerca de 250 telescópios. Astrônomos TFOP reduziram cerca de 3.000 TOIs para cerca de 100 os chamados exoplanetas TESS de Nível 1 confirmados. Esses planetas de nível 1 são todos pequenos, com raios menores que quatro vezes os da Terra. Combinado com as massas medidas pelas equipes TFOP, confirmamos que esses pequenos planetas são realmente super-Terras e seus primos ligeiramente maiores com atmosferas mais espessas, sub-Neptunes. Além disso, um subgrupo importante desses planetas de Nível 1 é semelhante à Terra em tamanho e massa.
Zach Berta-Thompson
tamanhos entre os candidatos de planeta TESS. E cerca de 25 por cento dos TOIs não são planetas, mas estrelas binárias eclipsantes distantes, cujos eclipses podem imitar trânsitos de exoplanetas. Observações em andamento com telescópios de resolução angular mais alta, como a missão espacial Gaia, permitirão aos astrônomos separar esses sistemas de planetas em trânsito reais.
A TESS também está revolucionando o estudo de sistemas multiplanetários, especialmente aqueles com seis ou mais mundos co-orbitando sua estrela hospedeira. Tais sistemas foram inicialmente descobertos pelo Kepler e pelos telescópios de pesquisa TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope – South (TRAPPIST). Infelizmente, essas primeiras descobertas orbitam estrelas relativamente fracas – normalmente de magnitude 14 – tornando-as difíceis de estudar.
No início de 2021, a TESS encontrou mais de 80 novos sistemas multiplanetários. Quatro descobertas recentes, cada uma com quatro ou mais planetas, estão muito mais próximas da Terra do que os sistemas Kepler e TRAPPIST e, portanto, têm hospedeiros estelares que parecem 30 a 50 vezes mais brilhantes. Estes são muito mais fáceis de serem estudados por observadores de acompanhamento. Estrelas hospedeiras mais brilhantes também tornam mais fácil para o JWST e para a próxima geração de telescópios terrestres gigantescos de 30 metros investigarem essas atmosferas planetárias por meio de espectroscopia. Isso ocorre porque estrelas mais brilhantes significam que observações mais curtas ainda podem detectar qualquer assinatura potencialmente interessante do ponto de vista biológico na atmosfera de um planeta, conforme a luz da estrela hospedeira é filtrada por ela.
Missão estendida
Depois de completar sua pesquisa inicial planejada de dois anos em julho de 2020, a TESS embarcou em uma missão estendida de 26 meses. Aprovada pela NASA, esta extensão permite ao TESS pesquisar planetas ao redor de estrelas ainda mais distantes, bem como acompanhar algumas das descobertas mais empolgantes da missão principal.
Esta primeira missão estendida consiste em três iniciativas principais: Primeiro, a TESS fará um levantamento do céu pela segunda vez, cobrindo o Hemisfério Sul novamente no primeiro ano e o Hemisfério Norte no segundo ano. Além disso, a TESS passará 135 dias explorando uma faixa de 12 ° de largura ao longo do Plano da Eclíptica, que não foi sondada durante a missão primária porque estávamos focados em cobrir totalmente as zonas de visualização contínua para JWST que circundam os pólos eclíptica norte e sul. A missão K2 do Telescópio Espacial Kepler pesquisou o plano da eclíptica de 2014 a 2018. Mas as incertezas de medição nos tempos de trânsito significam que alguns planetas K2 poderiam ser efetivamente perdidos à medida que seus períodos de trânsito reais se distanciam dos períodos medidos (incertos) ao longo da meia década desde seu descoberta, como dois relógios fora de sincronia. O TESS deve recuperar uma grande fração desses mais de 400 planetas K2 confirmados.
Em segundo lugar, o TESS agora tira imagens de quadro inteiro a cada 10 minutos, desde as exposições de 30 minutos da missão principal. Exposições mais frequentes devem ajudar a capturar trânsitos de exoplanetas de curta duração, tão breves quanto 40 minutos. Isso revelará mais planetas do tamanho da Terra na zona habitável de estrelas anãs M, que compreendem aproximadamente 75 por cento das estrelas em nossa pesquisa. No geral, essa melhoria pode triplicar o número de planetas que esperamos encontrar de 50 a 150 – ou mais. Além disso, uma nova capacidade de exposição de 20 segundos foi introduzida, o que melhora a capacidade do TESS de detectar e medir com precisão chamas estelares. Também ajudará a TESS na busca por exoplanetas orbitando estrelas anãs brancas. Esses trânsitos foram previstos há muito tempo quando nossa missão estendida foi escrita, mas não foram confirmados até que TESS descobriu a primeira em 2020: um planeta do tamanho de Júpiter orbitando a anã branca WD 1856.
Finalmente, os investigadores convidados poderão escolher pelo menos 80 por cento dos alvos do modo de cadência de dois minutos da missão estendida. Este modo baixa um pequeno “selo postal” de pixels em torno de uma única estrela no campo de visão do TESS a cada dois minutos. Esta observação em ritmo mais rápido pode capturar as fases iniciais ou finais dos trânsitos de planetas brilhantes. Os 20 por cento restantes dos alvos de cadência de dois minutos da missão estendida consistirão nos TOIs mais promissores da missão principal.
Nem todos os planetas
O TESS foi projetado, financiado e construído para identificar planetas em trânsito. Mas a própria natureza de seu levantamento significa que ele também capta muitos dos chamados eventos transitórios que não são trânsitos planetários. De estrelas binárias eclipsadas e supernovas a explosões de cometas próximos e buracos negros supermassivos distantes, TESS já viu de tudo. Embora esses eventos não adicionem ao catálogo de planetas extrasolares conhecidos, eles ainda fornecem dados vitais para os astrônomos que estudam muitos outros aspectos do nosso universo.
TYC 7037-89-1: Localizado a cerca de 1.900 anos-luz de distância na constelação de Eridanus, TYC 7037-89-1 (também conhecido como TIC 168789840) é um sistema de estrelas múltiplas descoberto nos dados do TESS. Este sistema único de seis estrelas é composto por três binários eclipsantes, o que significa que cada estrela do sistema sofre eclipses quando vista da Terra.
Nu (?) Indi: as observações de asteroseismologia TESS desta estrela brilhante a olho nu permitiram aos astrônomos datar a fusão anterior de uma galáxia satélite com a Via Láctea em 11 bilhões de anos atrás.
ASASSN-14ko: A galáxia ESO 253?3 contém um buraco negro supermassivo ativo que emite chamas a cada 114 dias (retratado no topo no conceito de um artista). O TESS tem sido fundamental para ajudar os pesquisadores a estudar essas explosões, que os astrônomos agora acreditam ocorrer enquanto o buraco negro lentamente mordisca uma estrela em órbita durante cada aproximação mais próxima.
Cometa 46P / Wirtanen: Quando o Cometa 46P / Wirtanen balançou perto do Sol no final de 2018, TESS estava lá para assistir. O satélite observou uma explosão de gelo, poeira e gás do cometa enquanto era aquecido pelo Sol – a imagem mais abrangente desse tipo de evento até hoje.
Supernovas: No primeiro mês de observação em 2018, o TESS avistou seis supernovas distantes em outras galáxias. Esse é o mesmo número de supernovas que o Telescópio Espacial Kepler observou em quatro anos – e foi apenas o começo. Desde então, o TESS registrou quase 200 eventos desse tipo estourando no céu. – A.K.
Nem todos os planetas
O TESS foi projetado, financiado e construído para identificar planetas em trânsito. Mas a própria natureza de seu levantamento significa que ele também capta muitos dos chamados eventos transitórios que não são trânsitos planetários. De estrelas binárias eclipsadas e supernovas a explosões de cometas próximos e buracos negros supermassivos distantes, TESS já viu de tudo. Embora esses eventos não adicionem ao catálogo de planetas extrasolares conhecidos, eles ainda fornecem dados vitais para os astrônomos que estudam muitos outros aspectos do nosso universo.
TYC 7037-89-1: Localizado a cerca de 1.900 anos-luz de distância na constelação de Eridanus, TYC 7037-89-1 (também conhecido como TIC 168789840) é um sistema de estrelas múltiplas descoberto nos dados do TESS. Este sistema único de seis estrelas é composto por três binários eclipsantes, o que significa que cada estrela do sistema sofre eclipses quando vista da Terra.
Nu (?) Indi: as observações de asteroseismologia TESS desta estrela brilhante a olho nu permitiram aos astrônomos datar a fusão anterior de uma galáxia satélite com a Via Láctea em 11 bilhões de anos atrás.
ASASSN-14ko: A galáxia ESO 253?3 contém um buraco negro supermassivo ativo que emite chamas a cada 114 dias (retratado no topo no conceito de um artista). O TESS tem sido fundamental para ajudar os pesquisadores a estudar essas explosões, que os astrônomos agora acreditam ocorrer enquanto o buraco negro lentamente mordisca uma estrela em órbita durante cada aproximação mais próxima.
Cometa 46P / Wirtanen: Quando o Cometa 46P / Wirtanen balançou perto do Sol no final de 2018, TESS estava lá para assistir. O satélite observou uma explosão de gelo, poeira e gás do cometa enquanto era aquecido pelo Sol – a imagem mais abrangente desse tipo de evento até hoje.
Supernovas: No primeiro mês de observação em 2018, o TESS avistou seis supernovas distantes em outras galáxias. Esse é o mesmo número de supernovas que o Telescópio Espacial Kepler observou em quatro anos – e foi apenas o começo. Desde então, o TESS registrou quase 200 eventos desse tipo estourando no céu. – A.K.
Um impacto revolucionário
Graças à nossa política aberta e alta qualidade de dados, o número e o volume de imagens TESS e curvas de luz baixadas do Arquivo Barbara A. Mikulski para Telescópios Espaciais (MAST) tem sido extraordinário. Durante 2020, os usuários baixaram um total de 680 terabytes de dados – cerca de sete vezes a quantidade baixada das missões Hubble ou Kepler durante o mesmo período. Só em dezembro de 2020, havia quase 5 milhões de solicitações para um total de cerca de 50 TB de dados.
Durante sua revisão de 2019, a NASA elogiou a missão da TESS por “ter um impacto revolucionário nos campos dos exoplanetas e da astrofísica estelar”, bem como por “fornecer um modelo de como construir e servir a uma ampla base de usuários para maximizar o retorno da ciência”. Em março de 2021, o TESS observou um total de 34 setores e identificou 2.597 TOIs. Destes, 755 têm raios menores que quatro vezes os da Terra e 120 são confirmados – até agora – como planetas. Dezenas mais estão em andamento.
O primeiro planeta da missão, Pi Mensae c, é uma super-Terra quatro vezes mais massiva e duas vezes maior que a Terra, circundando a olho nu a estrela Pi (?) Mensae do hemisfério sul a cada seis dias. Mas TESS também descobriu TOI-700 d – um planeta do tamanho da Terra orbitando na zona habitável de sua estrela anã vermelha, onde as condições são ideais para um planeta manter água líquida em sua superfície. E também há o LHS 3844 b, uma super-Terra tão perto de sua estrela que um ano dura apenas 11 horas e as temperaturas diurnas sobem para 989 graus Fahrenheit (531 graus Celsius).
Os dados do TESS forneceram observações para mais de 300 artigos científicos escritos apenas em 2020. E embora a maioria desses artigos se concentre em novas descobertas de exoplanetas, outros são estudos sobre como as estrelas variam, oscilam, giram e produzem chamas. Cientistas cidadãos podem interagir facilmente com os dados TESS por meio do projeto Planet Hunters TESS Zooniverse. Isso levou à descoberta de vários planetas, incluindo TOI 1338 b – o primeiro planeta circumbinário de TESS com não um, mas dois sóis no centro de sua órbita.
Agora engajado em sua segunda pesquisa completa do céu, este pequeno, mas poderoso satélite, continuará a revelar a grande diversidade de mundos – como e ao contrário do nosso – que compartilham nossa vizinhança solar. Em seguida, caberá a missões como o JWST da NASA e o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman, e o satélite Exoplaneta Infravermelho de Sensoriamento Remoto Atmosférico da Agência Espacial Europeia (ARIEL), para mergulhar nesta longa lista de mundos próximos com mais detalhes, estudando suas atmosferas e composições para aprender mais sobre como os exoplanetas se formam e evoluem. Talvez um desses observatórios atinja a sorte grande: descobrir sinais potenciais de vida em um planeta identificado pela primeira vez pela TESS.
Publicado em 06/09/2021 09h57
Artigo original:
Site TESS: