O planejamento está em andamento para o Observatório de Mundos Habitáveis da NASA
No início de agosto, cientistas e engenheiros reuniram-se num pequeno auditório no Caltech para discutir como construir o primeiro telescópio espacial capaz de detetar vida em planetas como a Terra. O conceito de missão proposto, denominado Observatório de Mundos Habitáveis (HWO), seria o próximo observatório astrofísico poderoso depois do Telescópio Espacial James Webb (James Webb) da NASA. Teria a capacidade de estudar estrelas, galáxias e uma série de outros objetos cósmicos, incluindo planetas fora do nosso sistema solar, conhecidos como exoplanetas. Embora encontrar vida em exoplanetas possa ser um tiro no escuro, o workshop do Caltech teve como objetivo avaliar o estado da tecnologia necessária ao HWO para procurar vida noutros lugares.
“Antes de podermos conceber a missão, precisamos de desenvolver as tecnologias-chave tanto quanto possível”, diz Dimitri Mawet, membro do Grupo de Avaliação Técnica (TAG) do HWO, professor de astronomia David Morrisroe e cientista investigador sénior. no Laboratório de Propulsão a Jato (JPL), administrado pela Caltech para a NASA. “Estamos em uma fase de maturação tecnológica. A ideia é avançar ainda mais nas tecnologias que permitirão ao Observatório de Mundos Habitáveis fornecer a sua ciência revolucionária, minimizando ao mesmo tempo os riscos de custos excessivos no futuro.”
Origem e propósito do HWO
Proposto pela primeira vez como parte da Pesquisa Decadal sobre Astronomia e Astrofísica 2020 da Academia Nacional de Ciências (Astro2020), um roteiro de 10 anos que descreve metas para a comunidade astronômica, o HWO seria lançado no final da década de 2030 ou início da década de 2040. O tempo de observação da missão seria dividido entre astrofísica geral e estudos de exoplanetas.
“O Decadal Survey recomendou esta missão como a sua principal prioridade devido às capacidades transformacionais que teria para a astrofísica, juntamente com a sua capacidade de compreender sistemas solares inteiros fora do nosso”, diz Fiona Harrison, uma das duas presidentes do relatório decadal Astro2020. e o Professor Harold A. Rosen de Física na Caltech, bem como o Presidente de Liderança Kent e Joyce Kresa da Divisão de Física, Matemática e Astronomia.
Avanços e desafios tecnológicos
A capacidade do telescópio espacial de caracterizar as atmosferas dos exoplanetas e, portanto, de procurar assinaturas que possam indicar vida, depende de tecnologias que bloqueiem o brilho de uma estrela distante. Existem duas maneiras principais de bloquear a luz da estrela: uma pequena máscara interna ao telescópio, conhecida como coronógrafo, e uma grande máscara externa ao telescópio, conhecida como starshade. No espaço, as sombras estelares se desdobrariam em uma estrutura gigante em forma de girassol, como pode ser visto na animação a seguir.
Em ambos os casos, a luz das estrelas é bloqueada, de modo que é revelada a tênue luz estelar refletida em um planeta próximo. O processo é semelhante a levantar a mão para bloquear o sol enquanto tira uma foto de seus amigos sorridentes. Ao capturar diretamente a luz de um planeta, os investigadores podem então usar outros instrumentos chamados espectrómetros para examinar essa luz em busca de assinaturas químicas. Se alguma vida estiver presente num planeta orbitando uma estrela distante, então as inspirações e expirações coletivas dessa vida poderão ser detectáveis na forma de bioassinaturas.
“Estimamos que existam vários milhares de milhões de planetas do tamanho da Terra na zona habitável apenas na nossa galáxia”, diz Nick Siegler, tecnólogo-chefe do Programa de Exploração de Exoplanetas da NASA no JPL. A zona habitável é a região em torno de uma estrela onde as temperaturas são adequadas para água líquida. “Queremos sondar as atmosferas destes exoplanetas em busca de oxigénio, metano, vapor de água e outros produtos químicos que possam sinalizar a presença de vida. Não veremos homenzinhos verdes, mas sim assinaturas espectrais desses produtos químicos essenciais, ou o que chamamos de bioassinaturas.”
De acordo com Siegler, a NASA decidiu concentrar-se na rota do coronógrafo para o conceito HWO, com base em investimentos recentes no Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, que utilizará um coronógrafo avançado para imagens de exoplanetas gigantes gasosos. (O IPAC da Caltech abriga o Centro de Apoio à Ciência Romana). Hoje, os coronógrafos estão em uso em vários outros telescópios, incluindo o James Webb em órbita, o Hubble e observatórios terrestres.
Inovações e perspectivas futuras
Mawet desenvolveu coronógrafos para uso em instrumentos no Observatório W. M. Keck no topo de Maunakea, uma montanha na Ilha Grande do Havaí. A versão mais recente, conhecida como coronógrafo de vórtice, foi inventada por Mawet e reside dentro do Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC), um instrumento que permite aos pesquisadores obter imagens e estudar diretamente as emissões térmicas de exoplanetas gigantes gasosos jovens e quentes. O coronógrafo cancela a luz de uma estrela ao ponto de o instrumento poder tirar fotografias de planetas que são cerca de um milhão de vezes mais ténues que as suas estrelas. Isso permite aos investigadores caracterizar detalhadamente as atmosferas, órbitas e rotações de jovens exoplanetas gigantes gasosos, ajudando a responder a questões sobre a formação e evolução de outros sistemas solares.
Mas imaginar diretamente um planeta gêmeo da Terra – onde a vida como a conhecemos tem maior probabilidade de florescer – exigirá um enorme refinamento das tecnologias atuais. Planetas como a Terra, que orbitam estrelas semelhantes ao Sol na zona habitável, perdem-se facilmente no brilho das suas estrelas. O nosso próprio Sol, por exemplo, ofusca a luz da Terra em 10 bilhões de vezes. Para que um coronógrafo atinja este nível de supressão da luz estelar, os investigadores terão de levar as suas tecnologias ao limite. “À medida que nos aproximamos cada vez mais deste nível exigido de supressão da luz estelar, os desafios tornam-se exponencialmente mais difíceis”, diz Mawet.
Os participantes do workshop da Caltech discutiram uma técnica coronográfica que envolve o controle de ondas de luz (veja o vídeo acima) com um espelho deformável ultrapreciso dentro do instrumento. Embora os coronógrafos possam bloquear grande parte da luz de uma estrela, a luz dispersa ainda pode chegar à imagem final, aparecendo como manchas. Ao usar milhares de atuadores que empurram e puxam a superfície reflexiva do espelho deformável, os pesquisadores podem cancelar as manchas residuais de luz estelar.
O próximo Telescópio Espacial Nancy Grace Roman será o primeiro a utilizar este tipo de coronógrafo, que é referido como “ativo” porque o seu espelho será ativamente deformado. Depois de mais testes no JPL, o coronógrafo romano será finalmente integrado ao telescópio final do Goddard Space Flight Center da NASA e lançado ao espaço o mais tardar em 2027. O instrumento coronógrafo romano permitirá aos astrônomos obter imagens de exoplanetas possivelmente até um bilhão de vezes mais fracos do que suas estrelas. Isto inclui gigantes gasosos maduros e jovens, bem como discos de detritos que sobraram do processo de formação planetária.
“O Instrumento Coronógrafo Romano é o próximo passo da NASA no caminho para encontrar vida fora do nosso sistema solar”, diz Vanessa Bailey, tecnóloga de instrumentos do coronógrafo Roman no JPL. “A diferença de desempenho entre os telescópios atuais e o Observatório de Mundos Habitáveis é demasiado grande para ser colmatada de uma só vez. O objetivo do Instrumento Coronógrafo Romano é ser esse trampolim intermediário. Ele demonstrará várias das tecnologias necessárias, incluindo máscaras coronográficas e espelhos deformáveis, em níveis de desempenho nunca antes alcançados fora do laboratório.”
A busca pela imagem direta de um gêmeo da Terra em torno de uma estrela semelhante ao Sol significará levar ainda mais longe a tecnologia por trás do coronógrafo de Roman. “Precisamos ser capazes de deformar os espelhos com um nível de precisão picômetro”, explica Mawet. “Precisaremos suprimir a luz das estrelas por outro fator de aproximadamente 100 em comparação com o coronógrafo de Roman. O workshop ajudou-nos a descobrir onde estão as lacunas na nossa tecnologia e onde precisamos de fazer mais desenvolvimento na próxima década.”
Outros tópicos de conversa no workshop incluíram o melhor tipo de espelho primário para uso com o coronógrafo, revestimentos de espelhos, como lidar com danos aos espelhos causados por micrometeoróides, tecnologias de espelhos deformáveis, bem como detectores e ferramentas avançadas para modelagem e design integrados. Os engenheiros também forneceram uma atualização de status sobre o starshade e sua prontidão tecnológica.
O caminho para descobrir os gêmeos da Terra
Enquanto isso, à medida que a tecnologia avança, outros cientistas estão de olho nas estrelas em busca de planetas semelhantes à Terra que o HWO possa imaginar. Mais de 5.500 exoplanetas foram descobertos até agora, mas nenhum deles é verdadeiramente semelhante à Terra. Ferramentas de caça a planetas, como o novo Keck Planet Finder (KPF), liderado pela Caltech, no Observatório Keck, tornaram-se mais bem equipadas para encontrar planetas, procurando os puxões que eles exercem em suas estrelas enquanto orbitam. Os planetas mais pesados exercem mais força, assim como os planetas que orbitam mais perto de suas estrelas. O KPF foi projetado para encontrar planetas do tamanho da Terra nas zonas habitáveis de pequenas estrelas vermelhas (as zonas habitáveis para estrelas vermelhas estão mais próximas). Com refinamentos adicionais nos próximos anos, a KPF poderá ser capaz de detectar gêmeos da Terra.
Quando o HWO for lançado, no final da década de 2030 ou início da década de 2040, os cientistas esperam ter um catálogo de pelo menos 25 planetas semelhantes à Terra para explorar.
Apesar do longo caminho a percorrer, os cientistas presentes no workshop discutiram avidamente estes desafios com os seus colegas que viajaram de todo o país para Pasadena. A diretora do JPL, Laurie Leshin (MS ’89, PhD ’95), deu uma palestra estimulante no início da reunião. “É um desafio emocionante e assustador”, disse ela. “Mas é para isso que todos vivemos. Nós não fazemos isso sozinhos. Fazemos isso em colaboração.”
Publicado em 20/09/2023 03h05
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