Quando o Telescópio Espacial James Webb da NASA for lançado em 2021, uma de suas contribuições mais esperadas à astronomia será o estudo de exoplanetas – planetas que orbitam estrelas distantes. Entre as questões mais prementes da ciência dos exoplanetas, está: Um pequeno exoplaneta rochoso que orbita perto de uma estrela anã vermelha possui uma atmosfera?
Em uma série de quatro artigos no Astrophysical Journal, uma equipe de astrônomos propõe um novo método de usar o James Webb para determinar se um exoplaneta rochoso tem uma atmosfera. A técnica, que envolve medir a temperatura do planeta quando passa por trás de sua estrela e depois volta à vista, é significativamente mais rápida que os métodos mais tradicionais de detecção atmosférica, como a espectroscopia de transmissão.
“Descobrimos que o James Webb poderia identificar facilmente a presença ou ausência de uma atmosfera em torno de uma dúzia de exoplanetas rochosos conhecidos em menos de 10 horas de tempo de observação por planeta”, disse Jacob Bean, da Universidade de Chicago, co-autor de três dos artigos.
Os astrônomos estão particularmente interessados ??em exoplanetas que orbitam estrelas anãs vermelhas por várias razões. Essas estrelas, menores e mais frias que o sol, são o tipo mais comum de estrela em nossa galáxia. Além disso, como uma anã vermelha é pequena, um planeta que passa à sua frente parece bloquear uma fração maior da luz da estrela do que se a estrela fosse maior, como o nosso sol. Isso torna o planeta que orbita uma anã vermelha mais fácil de detectar por meio dessa técnica de “trânsito”.
As anãs vermelhas também produzem muito menos calor do que o nosso sol; portanto, para desfrutar de temperaturas habitáveis, um planeta precisaria orbitar muito perto de uma estrela anã vermelha. De fato, para estar na zona habitável – a área ao redor da estrela onde poderia existir água líquida na superfície de um planeta – o planeta precisa orbitar muito mais perto da estrela do que Mercúrio está no sol. Como resultado, transitará a estrela com mais frequência, facilitando observações repetidas.
Mas um planeta que orbita tão perto de uma anã vermelha está sujeito a condições adversas. As anãs vermelhas jovens são muito ativas, lançando enormes explosões e erupções de plasma. A estrela também emite um forte vento de partículas carregadas. Todos esses efeitos poderiam potencialmente afastar a atmosfera de um planeta, deixando para trás uma rocha nua.
“A perda atmosférica é a ameaça existencial número um à habitabilidade dos planetas”, disse Bean.
Outra característica importante dos exoplanetas que orbitam perto de anãs vermelhas é central para a nova técnica: espera-se que eles sejam trancados por uma maré, o que significa que eles têm permanência diurna e noturna. Como resultado, vemos diferentes fases do planeta em diferentes pontos de sua órbita. Quando cruza a face da estrela, vemos apenas a noite do planeta. Mas quando está prestes a cruzar atrás da estrela (um evento conhecido como eclipse secundário), ou está emergindo por trás da estrela, podemos observar o dia.
Se um exoplaneta rochoso não possui uma atmosfera, seu dia seria muito quente, como vemos na Lua ou Mercúrio. No entanto, se um exoplaneta rochoso tiver uma atmosfera, espera-se que a presença dessa atmosfera diminua a temperatura do dia que o James Webb medirá. Isso poderia ser feito de duas maneiras. Uma atmosfera espessa poderia transportar o calor do dia para o noturno através dos ventos. Uma atmosfera mais fina ainda pode hospedar nuvens, que refletem uma parte da luz estelar que chega, diminuindo assim a temperatura do dia do planeta.
“Sempre que você adiciona uma atmosfera, diminui a temperatura do dia. Então, se virmos algo mais frio que a rocha nua, inferiremos que é provável que seja um sinal de atmosfera”, explicou Daniel Koll, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), o principal autor de dois dos artigos.
O Webb é ideal para fazer essas medições porque possui um espelho muito maior do que outros telescópios, como os telescópios espaciais Hubble ou Spitzer da NASA, que permitem coletar mais luz e podem atingir os comprimentos de onda infravermelhos apropriados.
Os cálculos da equipe mostram que o James Webb deve ser capaz de detectar a assinatura de calor da atmosfera de um planeta em um a dois eclipses secundários – apenas algumas horas de observação. Por outro lado, detectar uma atmosfera através de observações espectroscópicas normalmente exigiria oito ou mais trânsitos para esses mesmos planetas.
A espectroscopia de transmissão, que estuda a luz das estrelas filtrada pela atmosfera do planeta, também sofre interferência devido a nuvens ou neblinas, que podem mascarar as assinaturas moleculares da atmosfera. Nesse caso, o gráfico espectral, em vez de mostrar linhas de absorção pronunciadas devido a moléculas, seria essencialmente plano.
“Na espectroscopia de transmissão, se você obtém uma linha plana, isso não diz nada. A linha plana pode significar que o universo está cheio de planetas mortos que não têm atmosfera, ou que o universo está cheio de planetas que possuem toda uma gama de atmosferas diversas e interessantes, mas todas parecem iguais para nós porque estão nubladas “, disse Eliza Kempton, da Universidade de Maryland, coautora em três dos artigos.
“As atmosferas de exoplanetas sem nuvens e neblinas são como unicórnios – ainda não as vimos e elas podem não existir”, acrescentou.
A equipe enfatizou que uma temperatura mais baixa do que o esperado durante o dia seria uma pista importante, mas não confirmaria absolutamente a existência de uma atmosfera. Qualquer dúvida remanescente sobre a presença de uma atmosfera pode ser descartada com estudos de acompanhamento usando outros métodos como a espectroscopia de transmissão.
A verdadeira força da nova técnica será determinar qual fração dos exoplanetas rochosos provavelmente possui uma atmosfera. Aproximadamente uma dúzia de exoplanetas que são bons candidatos a esse método foram detectados durante o ano passado. É provável que mais sejam encontradas quando o Webb estiver operacional.
“O satélite de pesquisa em trânsito de exoplanetas, ou TESS, está encontrando pilhas desses planetas”, afirmou Kempton.
O método do eclipse secundário tem uma limitação chave: funciona melhor em planetas muito quentes para serem localizados na zona habitável. Entretanto, determinar se esses planetas quentes hospedam atmosferas possui implicações importantes para os planetas da zona habitável.
“Se os planetas quentes conseguem manter uma atmosfera, os mais frios devem ser capazes de, pelo menos, também”, disse Koll.
O Telescópio Espacial James Webb será o principal observatório de ciências espaciais do mundo quando for lançado em 2021. O James Webb resolverá mistérios em nosso sistema solar, olhará além para mundos distantes ao redor de outras estrelas e investigará as estruturas e origens misteriosas de nosso universo e nosso lugar nele. O James Webb é um projeto internacional liderado pela NASA com seus parceiros, a ESA (Agência Espacial Européia) e a Agência Espacial Canadense.
Publicado em 05/12/2019
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