Exoplanetas, planetas que orbitam outras estrelas que não o Sol, são encontrados a distâncias muito distantes da Terra. Por exemplo, o exoplaneta mais próximo de nós, Proxima Centauri b, está a 4,2 anos-luz de distância, ou 265.000 vezes a distância entre a Terra e o sol.
A olho nu, os planetas do sistema solar aparecem como pontos brilhantes. No entanto, usando um telescópio, esses pontos se destacam das estrelas e revelam estruturas como a Grande Mancha Vermelha de Júpiter, os anéis de Saturno ou as calotas polares de Marte.
Embora a presença de tais fenômenos seja esperada em exoplanetas, sua distância da Terra nos impede de resolver diretamente suas superfícies. No entanto, existem maneiras de aprender mais sobre a estrutura de seus ambientes e mapeá-los.
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Sou estudante de doutorado em astrofísica na Universidade de Montreal. Meu trabalho está relacionado à caracterização de atmosferas de exoplanetas. Mais especificamente, minha pesquisa se concentra no desenvolvimento de ferramentas para mapear a atmosfera de exoplanetas usando observações do Telescópio Espacial James Webb.
O telescópio, lançado em 25 de dezembro de 2021, deve revolucionar o campo da ciência exoplanetária.
Detecção e caracterização de exoplanetas
Com exceção de alguns casos especiais em que a luz de um planeta pode ser observada diretamente, a maioria dos exoplanetas é detectada usando métodos indiretos. Um método indireto consiste em observar o efeito da presença do planeta na luz emitida por sua estrela.
O método de trânsito levou ao maior número de detecções de exoplanetas. Um trânsito ocorre quando, de nossa perspectiva, um exoplaneta passa na frente de sua estrela hospedeira. Durante o trânsito, a luz da estrela diminui à medida que a superfície da estrela é parcialmente obscurecida pelo planeta.
A luz é dividida em um espectro de comprimentos de onda que correspondem a cores diferentes. Quando um trânsito é observado em vários comprimentos de onda, é possível medir a composição atmosférica do exoplaneta. Por exemplo, as moléculas de água absorvem fortemente a luz no infravermelho, fazendo com que o planeta pareça maior, já que sua atmosfera bloqueia uma fração maior da luz de sua estrela. Da mesma forma, também é possível medir a temperatura da atmosfera e detectar a presença de nuvens.
Além disso, um planeta em trânsito também pode passar por trás de sua estrela. Este fenômeno, no qual apenas a luz da estrela é observada, é chamado de eclipse secundário. Ao observar isso, é possível isolar a luz que vem apenas do planeta e, assim, obter informações adicionais sobre sua atmosfera.
O método de trânsito é mais sensível à presença de nuvens, enquanto o método do eclipse secundário fornece mais informações sobre a temperatura da atmosfera.
Em geral, a atmosfera de um exoplaneta é considerada um objeto unidimensional ao ser analisada. Ou seja, considera-se que sua composição e temperatura variam apenas com a altitude e não com sua posição em longitude e latitude. Levar essas três dimensões em consideração simultaneamente exigiria modelos complexos, bem como um alto grau de precisão observacional. No entanto, considerar apenas a altitude pode produzir aproximações que não são válidas. Na Terra, por exemplo, a temperatura no equador é muito mais alta do que nos pólos.
Alguns exoplanetas também apresentam forte variação espacial em suas atmosferas. Júpiteres quentes, semelhantes em tamanho a Júpiter, orbitam muito perto de sua estrela hospedeira e podem, portanto, atingir temperaturas de vários milhares de graus Celsius.
Além disso, esses planetas geralmente giram em torno de si mesmos na mesma velocidade que em torno de sua estrela. Isso significa que, nesses planetas, um dia e um ano têm a mesma duração. Da mesma forma que podemos ver apenas um lado da Lua da Terra, apenas um lado de um Júpiter quente está constantemente voltado para sua estrela. Esse fenômeno pode levar a uma grande diferença de temperatura entre o lado diurno, que é iluminado pela estrela, e o lado noturno, que fica perpetuamente na escuridão.
Métodos de mapeamento
Embora seja impossível observar a superfície de um exoplaneta diretamente, é possível medir a variação espacial da atmosfera usando dois métodos: análise da curva de fase e mapeamento do eclipse secundário.
A curva de fase é a variação da luz do sistema estrela-planeta durante um período de revolução. Como o planeta gira sobre si mesmo durante sua órbita, diferentes seções de sua atmosfera são sucessivamente visíveis para nós. A partir desse sinal, é possível mapear a intensidade da luz emitida pelo planeta em longitude. No caso dos Júpiteres quentes, cujo lado diurno é geralmente mais quente, o máximo de luz do planeta está próximo ao eclipse secundário. Da mesma forma, o mínimo da curva está próximo ao trânsito, pois é o lado noturno que é observado.
No mapeamento do eclipse secundário, o lado diurno do exoplaneta é resolvido. À medida que o planeta se move para dentro e para fora de sua estrela, do nosso ponto de vista, seções dele ficam ocultas, o que nos permite isolar a luz emitida por uma determinada seção de sua atmosfera. Medindo a quantidade de luz emitida por cada seção individual, é possível mapear o lado diurno da atmosfera em relação à longitude e latitude.
A chegada do Telescópio Espacial James Webb
Até o momento, a análise da curva de fase foi aplicada a vários planetas usando telescópios espaciais, incluindo os telescópios espaciais Hubble, Kepler e TESS. O mapeamento do eclipse secundário foi aplicado apenas a um exoplaneta, Hot Jupiter HD189733 b, a partir de observações com o telescópio espacial Spitzer. No entanto, essas observações são geralmente feitas em um único comprimento de onda e não fornecem uma imagem completa dos processos atmosféricos em funcionamento nesses exoplanetas.
Com um espelho de 6,5 metros, em comparação com o espelho de 2,4 metros do Hubble, o telescópio Webb fornecerá observações precisas sem precedentes em uma ampla gama de comprimentos de onda. Quatro instrumentos, incluindo o NIRISS do Canadá (Near-infrared Imager e Slitless Spectrograph), observarão na faixa infravermelha e caracterizarão as atmosferas de uma infinidade de exoplanetas.
Com o telescópio Webb, será possível aplicar os métodos de mapeamento de que dispomos para medir a variação tridimensional de atmosferas de exoplanetas. Essas medições nos permitirão aprofundar nosso conhecimento dos processos atmosféricos.
Conforme a tecnologia e os instrumentos continuam a avançar, pode até ser possível mapear um exoplaneta semelhante à Terra no futuro.
Publicado em 07/01/2022 17h58
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