À caça de exoplanetas Understand article

Traduzido por Pedro Augusto A possibilidade de mundos para além do nosso tem fascinado pessoas durante milénios. Agora a tecnologia está a trazer esses outros mundos – ou exoplanetas – para o alcance da descoberta.

“Existem infinitos mundos tanto semelhantes como diferentes deste nosso mundo.” Assim disse o filósofo e atomista Epicuro da antiga Grécia, no quarto século antes de Cristo. Mas tal como as ideias gregas de um Sistema Solar heliocêntrico se perderam no turbilhão da História, a noção de Epicuro de um cosmos ilimitado foi varrida para o lado pela filosofia dominante de Aristóteles, que alegou que “não pode existir mais do que um mundo.”

Decorreram quase dois mil anos antes da ideia da Terra poder não ser caso único ser levada a sério outra vez. Na Itália, em 1584, no pico do Renascimento, o filósofo Giordano Bruno propôs que o Universo era infinito e que as estrelas são sóis distantes orbitados por “incontáveis mundos”. Cerca de 400 anos mais tarde, em 1992, surgiu a primeira deteção confirmada de um dos incontáveis mundos de Bruno, pelos radioastrónomos Aleksander Wolszczan e Dale Frail tion of one of Bruno’s innumerable worlds, by radio astronomers Aleksander Wolszczan and Dale Frail (Wolszczan & Frail, 1992). Wolszczan e Frail descobriram um pulsar na constelação da Virgem com uma furiosamente rápida rotação. Rodando mais de 160 vezes num segundo, esta minúscula estrela colapsada emite potentes feixes rádio que varrem a Terra como rápidas pulsações. Uma irregularidade no sinal levou os astrónomos a concluir que “o pulsar é orbitado por dois ou mais corpos de tamanho planetário”, que se tornaram nos primeiros ‘exoplanetas’ conhecidos – planetas exteriores ao nosso próprio Sistema Solar. Três anos mais tarde, outro exoplaneta foi encontrado por Michel Mayor e Didier Quelozw1,desta vez em órbita em torno de uma estrela semelhante ao Sol, chamada 51 Pegasi. Era um mundo extremo – um tipo de planeta ‘Júpiter quente’, pelo menos 150 vezes mais massivo do que a Terra e orbitando o seu Sol ainda mais próximo do que Mercúrio orbita o nosso.

Artist’s impression of the pulsar planet system discovered by Wolszczan and Frail
Registo de artista do sistema ‘pulsar planetário’ descoberto por Wolszczan e Frail
NASA/JPL-Caltech
 

Os astrónomos aperceberam-se que era possível detetar exoplanetas e seguiu-se a corrida para encontrar mais. Os métodos de deteção melhoraram e as descobertas acumularam-se.

Conhecemos agora mais de 4 000 exoplanetas: a maioria está próxima do nosso Sistema Solar, uma vez que a sua proximidade os torna relativamente fáceis de detetar. Isto sugere que podem existir tantos quanto 11 biliões de planetas com o tamanho da Terra e potencialmente habitáveis apenas na nossa galáxia (Via Láctea).

Mundos alienígenas

A caça por exoplanetas tem sido muito mais bem sucedida do que os astrónomos alguma vez se atreveram a esperar. Sistemas planetários alienígenas são comuns e surpreendentemente diversos, com muitos sendo pouco semelhantes ao nosso Sistema Solar. Agora, parece que a maioria das estrelas tem planetas e que pequenos planetas rochosos são abundantes, incluindo mundos como a Terra que orbitam a sua estrela-mãe na ‘zona habitável’ onde água líquida pode existir na superfície do planeta – uma condição que se pensa essencial à vida. Muitos exoplanetas massivos, como Júpiter, também têm sido encontrados e alguns têm sido imaginados. Já detetámos núvens nos seus céus e, graças à análise espetral, podemos mesmo identificar os elementos nas suas atmosferas.

Contudo, a procura de exoplanetas enfrenta desafios consideráveis. Os planetas são muito mais débeis e pequenos do que as estrelas que orbitam e, assim, dependemos, principalmente, de métodos indiretos para os encontrar, em vez de fazer imagens suas diretamente. Existem várias abordagens diferentes, cada uma com as suas vantagens e desvantagens. Neste artigo, analisamos alguns dos mais importantes métodos de descoberta. 

Método do trânsito

Se um exoplaneta calhar de passar em frente da sua estrela-mãe enquanto o vemos da Terra – um fenómeno conhecido na Astronomia como um ‘trânsito’ – o brilho da estrela diminuirá brevemente, mesmo que por uma minúscula fração, como se viu com o trânsito triplo da estrela TRAPPIST-1 em 2015 (figura 1). Mais de três-quartos dos exoplanetas conhecidos foram detetados desta forma. O método do trânsito depende de um fator sorte: uma vez que as inclinações das respetivas órbitas estão distribuídas de forma aleatória, do nosso ponto de vista, a maioria dos exoplanetas nunca é vista a transitar em frente à sua estrela. De forma a contornar este problema, os telescópios espaciais como o telescópio Kepler da NASA rastreiam um elevado número de estrelas durante um longo período de tempo. As estrelas também podem mostrar diminuições de brilho devido a características da superfície como manchas estelares; por isso, observações de seguimento são necessárias de forma a confirmar uma descoberta.

Figure 1: Graph showing the changing brightness of the red dwarf star TRAPPIST-1, which is caused by three exoplanets passing in front of the star in quick succession
Figura 1: Gráfico mostrando a alteração de brilho da estrela anã vermelha TRAPPIST-1, que é causada por três  exoplanetas que passam em frente da estrela em rápida sucessão.
ESO/M Gillon et al., CC BY 4.0

Durante um trânsito, a luz da estrela passa através da atmosfera do exoplaneta, onde certos comprimentos de onda são absorvidos seletivamente por elementos e moléculas na atmosfera. O padrão de absorção, que podemos ler excutando uma análise espetral, serve como uma impressão digital química, o que nos diz que substâncias estão presentes. Tais estudos têm revelado água na atmosfera dos exoplanetas  (Tsiaras et al., 2019) e podem mesmo dizer-nos se a água atmosférica está na forma de um vapor ou de um líquido.

Método astrométrico

Os planetas são muito menos massivos do que as estrelas mas ainda exercem um puxão sobre as mesmas. A disputa gravitacional entre um planeta e uma estrela faz com que o par orbite em torno de um contro de massa partilhado que está, usualmente, no interior da própria estrela, apesar de não exatamente no seu centro. O resultado é que a estrela parece oscilar enquanto se desloca ao longo de uma minúscula órbita em torno do centro de massa partilhado. O puxão de Júpiter ao Sol, por exemplo, faz com que este oscile com uma velocidade média de 12 m/s conforme orbita um centro de massa comum próximo da sua superfície. O efeito de todos os planetas do nosso Sistema Solar no Sol é o percurso oscilatório mostrado na figura 2.

Figure 2: The black line shows the wobbling path of the Sun from 1944 to 1997 as the planets of the Solar System pull on it. The yellow circle indicates the Sun’s size
Figura 2: A linha preta mostra o percurso oscilatório do Sol de 1944 a 1997 enquanto os planetas do Sistema Solar puxam por ele. O círculo amarelo representa o tamanho do Sol.
Carl Smith/Rubik-wuerfel/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
 

O método astrométrico baseia-se na deteção desta reveladora mas quase impercetível pequena oscilação em estrelas a muitos anos-luz de distância, o que exige imenso da sensibilidade dos instrumentos. Colocando isto em perspetiva, uma estrela com o tamanho do Sol a 42 anos-luz (dez vezes mais longe do que a nossa estrela vizinha mais próxima, Proxima Centauri) oscilará apenas um-quinto de milionésimo de grau sob a influência de um planeta como Júpiter. Isto é equivalente a ver a Estação Espacial Internacional da Terra a deslocar-se 1.5 mm na sua órbita! O efeito de um planeta com o tamanho daTerra seria 1600 vezes mais pequeno.

Menos de 0.02% dos exoplanetas conhecidos foram descobertos utilizando este método. Contudo, esse número pode crescer, graças a telescópios espaciais como o transportado pela nave Gaia da ESA. O equipamento da Gaia não é afetado pela distorção da atmosfera da Terra e pode detetar movimentos tão pequenos quanto um quarto de bilionésimo do grau.

Método da velocidade radial

Uma outra forma de detetar o movimento oscilatório de uma estrela é procurar por desvios no seu espetro. A este chama-se o método da velocidade radial pois utiliza o efeito Doppler – a compressão ou o esticar de ondas de uma fonte que se desloca na direção do observador ou se afasta dele. Quando uma estrela se afasta de nós, a sua luz é desviada para o lado vermelho do espetro; quando de aproxima, a luz é desviada para o azul.

O desvio em comprimento de onda  causado por um planeta em órbita é minúsculo. A oscilação de 12 m/s do nosso Sol, causada por  Júpiter, desvia as suas riscas espetrais por uns meros 0.000004%. Mesmo assim, os espetroscópios astronómicos já conseguem detetar movimentos estelares inferiores a 1 m/s e há trabalho em progresso para atingir a precisão de 0.1 m/s, que é necessária para a deteção de planetas como a Terra. Por esta razão, o método da velocidade radial é uma peça fundamental da Astronomia Exoplanetária e corresponde a cerca de 20% das descobertas feitas desde 2012.

Como outras técnicas utilizadas para caçar exoplanetas, o método da velocidade radial tem um evidente viés observacional ao favorecer planetas que são fáceis de encontrar: mundos massivos como Júpiter que orbitam próximo da respetiva estrela. A velocidade radial também tende a favorecer estrelas ricas em elementos pesados, uma vez que a luz dessas estrelas tem mais riscas espetrais, tornando os desvios de Doppler mais fáceis de detetar.

Imagens diretas

Figure 4: Actual image of the exoplanet HIP 65426b, produced by ESO’s Very Large Telescope. The planet’s star, shown by a cross, has been masked out. The circle indicates the orbit of Neptune on the same scale.
Figura 3: Imagem direta do
exoplaneta HIP 65426b,
produzida pelo Very Large
Telescope do ESO. A estrela
do planeta, representada por
uma cruz, foi filtrada fora. O
círculo indica a órbita de
Neptuno na mesma escala.

ESO
 

A principal prova da existência de um exoplaneta é uma imagem dele; mas imagens diretas requerem telescópios com uma resolução incrivelmente elevada. Quanto mais distante está um exoplaneta e mais próximo está da respetiva estrela, maior tem de ser o espelho coletor ou a lente de um telescópio, de forma a resolver dois objetos como separados. Um telescópio com 8 m de largura seria necessário para separar Júpiter do nosso Sol como vistos a 600 anos-luz, enquanto resolver a Terra requeriria um telescópio de 39 m. Um telescópio exatamente com este tamanho – o Extremely Large Telescope (ELT) do Observatório Europeu do Sul (ESO)w2 – está neste momento em construção no Deserto de Atacama no Chile e é suposto começar a procura por exoplanetas em 2026. Resoluções ainda melhores podem ser conseguidas ao combinar dados de vários telescópios distribuídos por uma grande área – uma técnica conhecida por interferometria.  

O maior desafio a ser dominado é o contraste extremo entre o brilho da luz refletida de um exoplaneta e aquele da estrela-mãe, que é até 10 biliões de vezes mais brilhante do que um exoplaneta como a Terra. Uma forma de ultrapassar este problema é pela utilização de técnicas de máscara chamados coronógrafos de forma a remover a luz da estrela. 

Mais de 100 exoplanetas tiveram, até agora, imagens diretas feitas  (Chauvin et al., 2017; see figure 3). Como no caso do método do trânsito, a imagem direta permite estudar o espetro da luz dos exoplanetas e identificar os elementos nas respetivas atmosferas.

Desenvolvimentos futuros

Os próximos anos vão ser, provavelmente, muito excitantes para a investigação em exoplanetas quando novos telescópios ficarem operacionais e os métodos de deteção forem ainda mais melhorados. Um projeto promissor em desenvolvimento é o SPECULOOS, um conjunto de quatro telescópios robóticos com 1 m de largura em construção no Deserto de Atacama. Os SPECULOOS vão procurar exoplanetas semelhantes à Terra orbitando estrelas próximas com temperaturas abaixo dos 2500 K.  

Nos anos 2020 o telescópio James Webb Space Telescope (uma parceria entre a NASA, a ESA e a Agência Espacial Canadiana) e telescópios de grande abertura como o ELT vão fornecer a capacidade de resolução necessária para encontrar muitos mais planetas parecidos com a Terra nas zonas habitáveis em torno de estrelas como o Sol. Análise espetral e outras técnicas de processamento de imagem tornarão possível, não só, identificar tais mundos mas também executar análises químicas das suas atmosferas – e procurar por sinais distintivos de vida como nós a conhecemos.

The four telescopes of the PECULOOS Southern Observatory, which will search for Earth-sized exoplanets
Os quatro telescópios do SPECULOOS Southern Observatory, que vai procurar por exoplanetas com o tamanho da Terra
tau-tec GmbH

Exoplanetas para escolas

A caça de exoplanetas não é uma reserva para astrónomos profissionais com equipamento grandioso e caro. Utilizando o método do trânsito, até um modesto telescópio de 10-20 cm pode revelar o eclipse de uma estrela enquanto um planeta passa em frente dela. Os astrónomos amadores e as escolas terão poucas possibilidades de descobrir novos exoplanetas mas, ao fazer observações de seguimento de planetas conhecidos, podem fornecer dados preciosos na nossa epopeia para aprender mais sobre estes mundos fascinantes. Pode encontrar links para websites que descrevem tais atividades para escolas na secção de Recursos. Boa caçada!

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References

Web References

  • w1 – Michel Mayor e Didier Queloz venceram o Prémio Nobel da Física em 2019 pela sua descoberta de um exoplaneta em torno de uma estrela como o Sol. Leia mais sobre a sua descoberta no website da organização do Prémio Nobel.
  • w2 – O ESO é a mais avançada organização astronómica intergovernamental da Europa e o mais produtivo observatório astronómico na superfície da Terra, com sede em Garching, perto de Munique, na Alemanha, e com os seus telescópios no Chile.

Resources

Institution

ESO

Author(s)

Wolfgang Vieser é um astrofísico e professor de Física. Tem um doutoramento em Astrofísica e ensinou numa escola secundária durante 14 anos antes de assumir o lugar de coordenador do gabinete de educação do ESO. Trazer ciência de ponta para a sala de aula e apoiar professores no uso da Astronomia como uma porta para o mundo da ciência, são o seu foco principal. 


Review

A procura de exoplanetas parece ser uma nova disciplina na Astronomia. Para os habitantes da Terra, é interessante ver se há algo lá fora semelhante ao nosso próprio planeta. Talvez em breve possamos responder à pergunta: estamos sós?

Este artigo realça os atuais métodos utilizados na descoberta de exoplanetas, que empregam princípios da Física e da Química que nos são familiares. O artigo pode ser usado como um exercício de compreensão e as seguintes questões e desafios poderão ser incluídos:

  • O que é um exoplaneta?
  • Sumarie a história da descoberta de exoplanetas
  • Descreva um dos métodos utilizados para descobrir exoplanetas
  • Qual é o futuro provável da descoberta de exoplanetas?

Gerd Vogt, professor de Física e Tecnologia, Higher Secondary School for Environment and Economics, Yspertal, Austria




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