Como os telescópios da próxima geração nos ajudarão a caçar exoplanetas

Nos últimos anos, descobrimos uma surpreendente variedade de planetas fora do nosso sistema solar. Além daqueles que são potencialmente habitável, também encontramos exoplanetas que são mais quente que estrelas, ter chuva de ferro e céu amarelo, e que têm o densidade de algodão doce. Mas ainda mal arranhamos a superfície do que está por aí.

A próxima geração de missões de caça a planetas irá ainda mais longe, identificando exoplanetas e determinando a sua habitabilidade mesmo a milhares de anos-luz de distância. Para saber mais sobre como caçar a agulha de um planeta no palheiro da nossa galáxia, conversamos com três especialistas que trabalham em projetos de exoplanetas de ponta.

Uma explosão de exoplanetas

Os primeiros exoplanetas foram descobertos em 1992 e, em menos de três décadas, o número de planetas conhecidos fora do nosso sistema solar explodiu. NASA estimativas que o número de exoplanetas conhecidos praticamente duplica a cada 27 meses.

A descoberta de exoplanetas começou com telescópios terrestres, como a famosa descoberta do exoplaneta 51 Peg b em 1995, pela qual dois astrónomos suíços receberam o Prémio Nobel. Mas a caça a exoplanetas realmente ganhou força com o advento de telescópios de caça a planetas baseados no espaço, como o da NASA. Kepler e TESS missões.

Agora, novas missões da NASA e da ESA (Agência Espacial Europeia) estão a identificar e a examinar exoplanetas distantes com mais detalhe do que nunca.

Encontrando exoplanetas em nossa galáxia

PLATO é o telescópio espacial de caça a planetas da próxima geração da ESA e está atualmente a ser construído com o objetivo de ser lançado em 2026. A missão se concentrará em estrelas brilhantes que estão relativamente próximas de nós na galáxia, normalmente na região entre 300 e 1.000 anos-luz de distância, olhando para cada área por pelo menos dois anos.

A missão irá procurar mundos habitáveis ​​utilizando o método de trânsito, no qual os investigadores medem o brilho de uma estrela distante. Se o brilho da estrela diminuir em intervalos regulares, isso implica que um planeta está passando entre nós e a estrela, bloqueando parte da luz emitida pela estrela e causando a queda brilho. Medir esta queda com precisão permite que instrumentos como o PLATO calculem com muita precisão o tamanho do planeta.

O período de observação de dois anos permite aos cientistas procurar planetas de períodos mais longos. Assim, enquanto uma missão como a Kepler olhou para uma pequena área do céu durante um longo período de tempo, e o TESS olhou para grandes regiões para o céu por um curto período de tempo, PLATÃO olhará tanto para uma grande região quanto por um longo período tempo.

Precisaremos de instrumentos com um período de observação mais longo do que as missões anteriores para detectar planetas como o nosso, explicou Ana Heras, cientista do projeto PLATO, à Digital Trends numa entrevista. “Queremos detectar planetas semelhantes à Terra, e isso significa que se você quiser ver um planeta semelhante à Terra no zona habitável, terá um período orbital de um ano”, disse ela. “Portanto, temos que observar durante pelo menos dois anos, porque queremos ver pelo menos dois trânsitos.”

Os modelos atuais sugerem que a observação de dois trânsitos de uma determinada estrela deve fornecer dados suficientes para identificar e, até certo ponto, caracterizar um exoplaneta, mas existe a possibilidade de que PLATO possa observar a mesma área durante três ou até quatro anos se necessário.

Além destes planetas semelhantes à Terra, o PLATO também observará estrelas anãs vermelhas mais frias, que poderiam potencialmente ter exoplanetas habitáveis ​​orbitando-os. O fotómetro altamente preciso do telescópio também pode medir informações sobre as oscilações das estrelas observadas, o que pode informar os cientistas sobre a sua estrutura interna e idades. “Isso nos permitirá avançar, de forma fantástica, na compreensão da evolução estelar e no conhecimento geral sobre a física estelar”, disse Heras.

Uma das possibilidades mais interessantes do PLATO é que ele é tão preciso que pode até ser capaz de detectar luas orbitando exoplanetas, chamadas exoluas. É lógico que existam luas fora do nosso sistema solar, mas os métodos atuais ainda não confirmaram definitivamente a detecção de uma.

A chance de que PLATÃO pudesse encontrar tal lua abre a possibilidade de procurar diferentes tipos de ambiente habitável - não apenas planetas semelhantes à Terra, mas também luas semelhantes a outras como Lua de Saturno, Encelado que é um dos locais fora da Terra potencialmente habitáveis ​​mais promissores em nosso sistema solar.

Quantos planetas existem em nossa galáxia?

Descobrimos aproximadamente 4.200 exoplanetas até agora, com mais sendo anunciados praticamente todos os meses. Mas permanece uma questão em aberto sobre quantos planetas existem na nossa galáxia. O uso de métodos como o método de trânsito revela apenas planetas em configurações específicas - particularmente aqueles que estão próximos orbitam suas estrelas - então precisamos de uma visão geral da galáxia para ter uma ideia melhor de quantos planetas existem total.

Isso é o que a NASA está por vir Telescópio Espacial Romano Nancy Grace, ou simplesmente romano, tem como objetivo descobrir. O telescópio está atualmente em construção e, assim que for lançado no final de 2025 ou início de 2026, iniciará um levantamento do céu noturno denominado Roman Galactic Exoplanet Survey (RGES).

O objectivo desta pesquisa não é descobrir ou investigar exoplanetas em si, mas sim obter uma ideia visão geral de quantas estrelas em nossa galáxia hospedam sistemas planetários e como esses sistemas são distribuído.

Detectando planetas dobrando a luz

Para realizar o levantamento do céu, Roman usará uma técnica chamada microlente, que pode detectar exoplanetas, mas principalmente informa aos cientistas sobre as estrelas em torno das quais os planetas orbitam.

“A microlente é única em vários aspectos”, disse o investigador principal da RGES, Scott Gaudi, à Digital Trends em uma entrevista. É baseado em um processo chamado lente gravitacional, que é usado para detectar estrelas. “A forma como funciona é se você olhar para uma estrela por tempo suficiente (cerca de 500.000 anos), então, por acaso, outra estrela em primeiro plano aparecerá. flutue perto o suficiente da sua linha de visão daquela estrela de fundo para dividir a luz dessa estrela de fundo em duas imagens”, ele explicou.

“A estrela fonte de fundo é iluminada à medida que a estrela do primeiro plano se aproxima dela, porque a gravidade da estrela do primeiro plano desvia os raios de luz que estariam indo embora da linha de visão.” Isto significa que se os cientistas observarem que uma estrela de fundo fica mais brilhante e depois mais fraca, podem inferir que outra estrela passou entre ela e nós.

Esta técnica pode ser ainda mais refinada para detectar exoplanetas. “Se essa estrela em primeiro plano tiver um planeta, então esse planeta tem massa, o que significa que também pode aplicar lentes gravitacionais a essa estrela”, disse Gaudi. “Portanto, se uma dessas duas imagens daquela estrela de fundo criada pela estrela hospedeira em primeiro plano passar perto do planeta, isso causará um breve brilho ou escurecimento adicional, que dura entre algumas horas, no caso de um planeta com a massa da Terra, a alguns dias, no caso de um planeta com a massa de Júpiter planeta."

O problema é que estes eventos, nos quais planetas e estrelas se alinham, são raros e imprevisíveis. Portanto, para capturá-los, os astrônomos precisam observar um grande número de estrelas. “Você obtém um evento de lente por estrela a cada 500 mil anos, então é muito tempo de espera”, disse Gaudi. “Então, em vez disso, monitorizamos cerca de 100 milhões de estrelas no bojo galáctico [uma área densamente compactada de estrelas no meio da nossa galáxia] e, a qualquer momento, muitos milhares estão a ser fotografados.”

Roman será particularmente adequado para este tipo de investigação, pois possui um campo de visão muito grande, permitindo observar uma grande parte do bojo galáctico. Também pode monitorizar estes milhões de estrelas numa escala de tempo de 15 minutos, permitindo aos investigadores capturar estes eventos de lente à medida que acontecem.

Missões complementares

Os dados primários que temos até agora sobre quantos exoplanetas podem existir em nossa galáxia vêm do agora aposentado Telescópio Espacial Kepler, que pesquisou o céu entre 2009 e 2018, medindo o brilho de cerca de 150.000 estrelas para procurar exoplanetas usando o trânsito método.

Esta missão lançou as bases para a investigação de exoplanetas hoje. No entanto, devido ao método usado pelo Kepler, ainda existem muitos exoplanetas que ele pode ter perdido. O projecto romano pretende ampliar e complementar este trabalho através de um método diferente.

“O levantamento RGES é importante porque será complementar ao Kepler”, explicou Gaudi. “O método de microlente é intrinsecamente sensível a planetas que estão mais distantes, portanto, planetas com órbitas aproximadamente maiores que a do Terra." Se este método fosse usado por alienígenas distantes para observar o nosso sistema solar, por exemplo, seria capaz de detectar todos os planetas, exceto Mercúrio.

“Considerando que o Kepler era pouco sensível aos planetas com a massa da Terra. Então, realmente precisamos fazer o levantamento RGES para fazer esse censo estatístico dos exoplanetas na galáxia”, disse Gaudi.

A microlente também não depende da luz brilhante das estrelas observadas, por isso permite aos cientistas observar sistemas que estão próximos de nós e tão distantes quanto o centro da galáxia. Roman permitirá aos pesquisadores obter uma compreensão estatística de como os sistemas planetários estão distribuídos por toda a nossa galáxia, Gaudi disse: “Portanto, podemos realmente determinar a distribuição galáctica de sistemas exoplanetários, o que é basicamente impossível com qualquer outro técnica."

Caracterizando exoplanetas usando trânsitos

Os telescópios PLATO e Romano serão inestimáveis ​​para descobrir novos exoplanetas e estimar quantos exoplanetas existem no total na nossa galáxia. Mas assim que soubermos quantos planetas existem e onde estão localizados, precisaremos de novas ferramentas para aprender mais sobre estes planetas – investigando características como a sua massa, tamanho e idade. Esta informação pode ajudar-nos a ver que tipo de planetas existem, sejam eles gigantes gasosos como Júpiter ou Saturno ou mundos rochosos como a Terra e Marte.

A ESA lançou recentemente um novo telescópio espacial chamado CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite), que está investigando exoplanetas em órbita. O projeto CHEOPS provavelmente encontrará alguns novos exoplanetas durante a sua gestão, mas o seu principal objetivo é investigar mais detalhadamente os exoplanetas encontrados por outras pesquisas usando o método de trânsito.

“Somos, na verdade, uma missão de acompanhamento”, explicou Kate Isaak, cientista do projeto CHEOPS, à Digital Trends em entrevista. “Estamos acompanhando para descobrir os tamanhos, entre outras coisas, dos exoplanetas conhecidos.”

Isto significa que os cientistas deste projeto têm uma vantagem nas suas observações, pois já possuem as informações de que necessitam sobre quando ocorrerá um trânsito. Eles podem apontar o instrumento para o planeta alvo no momento certo enquanto ele está em trânsito, a fim de capturar informações sobre ele.

O CHEOPS foi lançado há apenas alguns meses, mas já descobriu novas informações sobre o planeta KELT-11 b, descobrindo que este planeta peculiar tem uma densidade tão baixa que “flutuaria na água numa piscina grande o suficiente”, de acordo com um comunicado dos investigadores.

Procurando pela Terra 2

A detecção e o estudo de exoplanetas não envolvem apenas encontrar mundos estranhos como KELT-9b ou AU Microfone b no entanto. É também sobre a maior das questões: se existe ou não vida fora da Terra. O trabalho que está sendo feito pelos astrônomos agora começa a investigar as questões não apenas de onde estão os planetas, mas também se eles poderiam ser habitáveis. Eventualmente, eles poderiam ajudar a determinar se esses planetas distantes de fato hospedam vida.

“Um dos santos graais da ciência dos exoplanetas é a procura de vida”, disse Isaak. “Uma das coisas que as pessoas procuram é um planeta parecido com a Terra. Uma Terra 2, você poderia dizer.” Isso envolve procurar um planeta rochoso dentro da zona habitável de uma estrela – a distância de uma estrela na qual pode existir água líquida na superfície do planeta. Missões futuras, como o próximo Telescópio Espacial James Webb, serão capazes até de investigar se exoplanetas distantes têm atmosfera.

Heras, cientista do projeto PLATO, concordou com a importância da busca pela habitabilidade. “O estudo de exoplanetas possivelmente habitáveis ​​é realmente o próximo passo para entender não apenas como os planetas evoluem, mas também talvez como a vida apareceu”, disse ela. “Depois de tudo o que aprendemos sobre exoplanetas, o próximo passo será aprender mais sobre o desenvolvimento da vida e como a vida começou.”

Há também uma grande questão em aberto sobre se existem outros sistemas solares semelhantes ao nosso. “Também gostaríamos de saber o quão único é o nosso planeta”, disse Heras. Ela explicou que mesmo com os milhares de exoplanetas descobertos, muito poucos deles estão dentro da zona habitável das suas estrelas. “Portanto, ainda não sabemos, com o nosso conhecimento, quão único é o nosso sistema solar e quão única é a Terra.”

A questão final

Esta ligação entre a descoberta de exoplanetas e a procura de vida impulsiona tanto os cientistas que trabalham nestes projetos como o apetite do público por aprender sobre mundos distantes. É impossível ouvir falar de exoplanetas bizarros e não imaginar como seria viver nestes lugares estranhos.

“Os exoplanetas são fascinantes, sobretudo porque são fáceis de entender”, disse Isaak. “Vivemos em um planeta. A questão de saber se estamos sozinhos é profunda – filosoficamente, fisicamente, psicologicamente – é uma questão fascinante e que podemos compreender facilmente. Procurar e estudar exoplanetas são passos para a questão de estarmos sozinhos… Com o CHEOPS, não vamos encontrar vida. Não terminaremos a missão dizendo que descobrimos homenzinhos verdes no Planeta X. Mas o que faremos é contribuir para o processo pelo qual você poderá fazer isso no longo prazo.”

Mesmo que a busca pela vida não resulte em nada, ainda assim seria uma descoberta profunda. E a própria pesquisa pode estimular a investigação científica e a contemplação profunda do nosso lugar no universo.

“Acho que todos procuramos um significado”, disse Gaudi. “Se pudéssemos de alguma forma ter uma ideia sobre se a vida, mesmo a vida simples, surgiu ou não em outro planeta independentemente da vida na Terra – ou se não, e estamos cosmicamente solitários - qualquer um dos dois teria um impacto muito profundo em nossa visão de nós mesmos e de nosso lugar no mundo. universo. É esse significado que me leva pessoalmente a estudar a busca pela habitabilidade e, potencialmente, pela vida.”