Tecnologia Científica

Professor de física de Stanford explica exoplanetas
Uma sessão de perguntas e respostas com o astrônomo Bruce Macintosh sobre o que as pessoas deveriam entender sobre exoplanetas - planetas fora do nosso sistema solar - e o que a pesquisa de exoplanetas significa para a vida na Terra.
Por Taylor Kubota com arte de Farrin Abbott - 26/01/2021


Os cientistas encontraram mais de 4.000 planetas fora do nosso sistema solar. Aqui, o especialista em exoplanetas da Universidade de Stanford Bruce Macintosh e líder da equipe por trás do Gemini Planet Imager explica como os cientistas encontram mundos alienígenas, por que devemos ser céticos sobre relatos de exoplanetas "do tamanho da Terra" e "habitáveis" e o que as descobertas de exoplanetas podem dizer nós sobre o universo e nosso próprio planeta.

Retrato em tons de cinza de Bruce Macintosh com reflexos claros ao redor
“Uma das coisas mais interessantes que aprendemos desde que descobrimos o primeiro exoplaneta há 30 anos é como o universo é diferente em comparação com o que pensávamos que era - como os outros sistemas solares são diferentes do nosso”, disse Macintosh, professor de física na Escola de Ciências Humanas . “Isso me faz pensar que a Terra é provavelmente um planeta muito especial.”


Ilustração de um arco de planetas vermelhos com anéis brancos no espaço

1. Quatro mil exoplanetas foram encontrados em apenas 30 anos. Como isso é possível?
A resposta curta: o artigo de 25 anos que ganhou o Prêmio Nobel em 2019 convenceu os cientistas de que eles já tinham as ferramentas para ver exoplanetas - então as descobertas continuaram rolando.

Macintosh: Muitas pessoas pensaram que outros sistemas solares eram como o nosso - alguns pequenos planetas rochosos mais próximos do sol e alguns planetas gigantes mais distantes - e que seria, portanto, quase impossível encontrar exoplanetas porque nossas ferramentas não são sensível o suficiente para ver esses tipos de sistemas. Essa era uma ideia tão popular que as pessoas que trabalhavam no campo logo no início tiveram problemas para obter acesso a telescópios e financiamento.

Houve tentativas de descobertas iniciais, mas elas não corresponderam às expectativas, então não mudaram muito o campo. Então, o jornal de 1995, de Michel Mayor e Didier Queloz - que os levou a ganhar o Prêmio Nobel em 2019 - argumentou fortemente que realmente estávamos vendo exoplanetas. Outra meia dúzia de descobertas de exoplanetas veio logo em seguida, porque eles estavam apenas sentados nos armários das pessoas, não analisados, esperando por esse tipo de argumento forte.

Acontece, também, que o universo parece favorecer pequenos planetas e, portanto, à medida que as técnicas se tornaram mais sensíveis, eles descobriram mais e mais.

2. Como a descoberta ganhadora do Prêmio Nobel desequilibrou a balança?
A resposta curta: os cientistas estavam confiantes e muito meticulosos na eliminação de outras explicações possíveis (não exoplanetas) para suas descobertas.

Macintosh: Foi uma combinação de descartar com muito cuidado outras explicações e de ter a confiança necessária para afirmar que encontraram um exoplaneta. Suas medições exigiam que os colegas aceitassem um planeta - agora chamado 51 Pegasi b - diferente de tudo que eles haviam imaginado: quente, do tamanho de Júpiter, mais próximo de seu sol do que a Terra está do nosso e com uma órbita de menos de cinco dias.

Ao longo do caminho, o prefeito e Queloz tiveram que descartar outras possibilidades, como a sugestão de que suas medições mostravam, na verdade, uma estrela que estava se expandindo e se contraindo, ou que haviam encontrado algo maior orbitando uma estrela e estavam apenas observando-o de um estranho ângulo que fez o objeto orbital parecer do tamanho de um planeta. Também ajudou o fato de muitos outros fazerem medições semelhantes, de modo que exoplanetas inesperados começaram a se tornar mais prováveis ​​do que algum estranho alinhamento casual.

3. Como a maioria dos astrônomos “vê” exoplanetas?
A resposta curta: geralmente usamos métodos indiretos que nos permitem ver os efeitos do planeta, mas não os próprios planetas.

Macintosh: Existem dois métodos principais que descobrimos planetas agora: o método Doppler e o método de trânsito. Ambos são formas indiretas de “ver” os planetas, o que significa que estamos observando seus efeitos, mas não os próprios planetas. Ver os planetas diretamente é muito difícil porque eles estão muito perto de suas estrelas e muito mais fracos em comparação.

O método Doppler mede como a gravidade do planeta atrai a estrela que orbita dia após dia, ano após ano. Não podemos ver o que está puxando a estrela, mas podemos calcular sua massa. Essa foi a técnica que foi utilizada pelos dois pesquisadores ganhadores do Prêmio Nobel de 2019.

O método de trânsito envolve medir as mudanças na luz da estrela. Se um planeta passar na frente de uma estrela, ele bloqueará parte da luz da estrela, fazendo com que ela diminua. (Se você estivesse olhando para nosso sistema solar de muito longe na direção certa, veria nosso sol ficar cerca de 1 por cento mais fraco a cada 12 anos quando Júpiter se interpusesse.) Para que isso funcione, no entanto, você precisa tenha muita sorte - o planeta e a estrela têm que se alinhar para isso. Se você não está se sentindo mega-sortudo, então você precisa olhar para dezenas de milhares ou centenas de milhares de estrelas para encontrar as poucas que estão alinhadas da maneira certa. Com grandes câmeras digitais modernas e computação moderna, isso é possível. O software automatizado encontra os planetas possíveis, então os astrônomos descobrem quais são reais e interessantes. Por ser tão automatizado e computadorizado,

Ambos os métodos funcionam melhor quando os planetas estão próximos de suas estrelas. Em um universo cheio de sistemas solares como o nosso, eles quase nunca funcionariam. A primeira surpresa surpreendente sobre os exoplanetas é que existem tantos planetas de todos os tipos e tamanhos tão próximos de suas estrelas.

4. O que mais podemos aprender sobre exoplanetas?
A resposta curta: podemos calcular sua massa ou raio, talvez sua densidade e um pouco de informação vaga sobre sua atmosfera. Às vezes, também podemos estimar sua idade.

Macintosh: Quando você usa essas técnicas da maneira mais simples, elas indicam a massa ou o raio do planeta. Se você tiver sorte e puder aprender os dois, poderá calcular a densidade (quanto pesa cada metro cúbico do planeta), que pode ser uma pista do que é feito - mas você não pode realmente dizer a diferença entre um planeta que é metade rocha e metade grande, atmosfera fofa contra um planeta que é todo água.

Com telescópios e instrumentos modernos, se a luz da estrela passou pela atmosfera de um planeta em trânsito antes de chegar até você, você pode aprender algo sobre sua composição atmosférica. Agora, para que funcione, tem que ser um grande planeta - pelo menos do tamanho de Netuno - e você tem que vê-lo transitar muitas vezes. Ao analisar essa luz, podemos encontrar evidências de moléculas individuais na atmosfera do planeta - como monóxido de carbono ou vapor de água ou metano - e aprender coisas sobre a temperatura do planeta ou a pressão em sua atmosfera.

Quanto à idade, geralmente você pode dizer se uma estrela é realmente jovem, e isso significa que seus planetas (se houver) também serão jovens.

5. O projeto Gemini Planet Imager do qual você faz parte usa uma técnica diferente das outras que você mencionou. Como funciona?
A resposta curta: Enquanto outras técnicas encontram exoplanetas registrando seus efeitos, o Gemini Planet Imager obtém imagens dos próprios exoplanetas.

Macintosh: O Gemini Planet Imager, que iniciou suas operações científicas em 2014, vê exoplanetas diretamente . Agora, isso não significa que vemos continentes e oceanos. Vemos dois pontos, a estrela e o planeta. Mas é muito difícil conseguir até isso! Júpiter é um bilhão - mil milhões - de vezes mais fraco que o sol e eles estão muito próximos uns dos outros para os padrões planetários, então é como tentar procurar um vaga-lume próximo a um farol.

Incorporamos muita tecnologia para bloquear o “farol” e ver o minúsculo “vaga-lume”. Isso funciona melhor para exoplanetas que estão longe de suas estrelas - como onde Saturno, Netuno ou Urano estão em nosso sistema solar. E só podemos ver planetas que são extra brilhantes, o que significa planetas que são jovens. (Quando um planeta gigante como Júpiter se forma, uma grande quantidade de energia é liberada; então, se você pegar um planeta bebê, ele ainda estará quente e brilhando.) Acontece que não há muitos exoplanetas que se enquadrem nesse critério, então não pegamos 4.000 deles, mas cobrimos exoplanetas que outras técnicas não estão estudando.

No momento, a imagem direta - com o Gemini Planet Imager e outros instrumentos semelhantes - provavelmente está fornecendo algumas das melhores medições que temos da composição da atmosfera planetária, porque você tem luz direta que pode analisar. Podemos ver quais substâncias químicas estão presentes na atmosfera do planeta, aprender sobre nuvens e química. A limitação, por enquanto, é que o planeta tem que ser brilhante, longe de sua estrela, jovem e grande - cerca de duas vezes o tamanho de Júpiter.

6. A Terra é especial?
A resposta curta: até agora, não vimos nada parecido.

Macintosh: O desafio agora é que não podemos ver exoplanetas iguais à Terra com nossas tecnologias atuais. Muitos são do tamanho da Terra, mas só podemos vê-los em torno de estrelas que são realmente diferentes do nosso sol. E só podemos realmente medir o tamanho, então não sabemos como eles se formaram ou detalhes definitivos sobre o que são feitos.

Portanto, a pergunta que estamos tentando responder agora é se nosso sistema solar é raro - porque um sistema solar como o nosso teria mais probabilidade de ter uma Terra. Pelo que vimos até agora, os planetas em geral se aglomeram mais perto de suas estrelas do que os planetas em nosso sistema solar. Se cada estrela tivesse um sistema solar como o nosso, provavelmente saberíamos cerca de 10 planetas em todo o universo pesquisado, mas, em vez disso, encontramos cerca de 4.000.

Isso significa que a combinação de eventos que levaram a um sistema solar bem comportado com um planeta no qual as pessoas podem evoluir é muito rara? Ou esses sistemas solares são apenas difíceis de encontrar?

7. Ouvimos falar de exoplanetas semelhantes à Terra. O que isso significa?
A resposta curta: significa apenas que eles têm o tamanho da Terra.

Macintosh: Neste momento, toda vez que vir a palavra “semelhante à Terra”, você deve substituí-la pela palavra “do tamanho da Terra”, porque é isso que estamos medindo. Eis por que isso é importante: Vênus é um planeta do tamanho da Terra, mas não é semelhante à Terra de outras maneiras que nos importam.

Dado que não podemos medir a composição de um planeta do tamanho da Terra ou de planetas orbitando estrelas como o nosso próprio sol, certamente não há evidências de um planeta verdadeiramente semelhante à Terra.

Mencionei que o método de trânsito pode obter algumas medições de exoplanetas - especificamente versões quentes de Netuno. Neles, vemos os mesmos elementos que estão presentes em nosso sistema solar, como água e dióxido de carbono. Isso pode significar que planetas menores são como a Terra, mas acho isso otimista.

8. E quanto aos exoplanetas “habitáveis” ou a “zona habitável”?
A resposta curta: não temos como saber se poderíamos viver em algum dos exoplanetas que descobrimos.

Macintosh: Você deve pensar em “zona habitável” como “obtém a quantidade certa de zona de luz solar”, onde você obtém energia suficiente do sol para ter água líquida em sua superfície.

Agora, você realmente precisa entender a história de um planeta para dizer se os humanos poderiam sobreviver lá. Outro exemplo de Vênus: algumas definições colocam Vênus na zona habitável, mas tem uma temperatura de superfície de quase 1.000 graus Fahrenheit e chove ácido sulfúrico e a pressão iria esmagá-lo.

Infelizmente, não temos a capacidade de medir muito além da luz solar e do tamanho agora, o que sugere que não devemos usar a palavra “habitável” por muito tempo.

9. Como procuramos vida nos exoplanetas?
A resposta curta: procuramos coisas associadas à vida na Terra, como oxigênio ou água líquida.

Macintosh: Com telescópios, olhando para algo a 100 anos-luz de distância, não podemos ver continentes ou oceanos. Portanto, procuramos outras dicas de vida que nos são familiares, como oxigênio ou vida baseada em carbono que envolve água líquida. A evidência de vida é ainda mais forte se encontrarmos produtos químicos adicionais que, até onde sabemos, só existem juntos como resultado da vida - como ter água, metano e oxigênio. Não podemos nem mesmo ver esses produtos químicos agora, mas instrumentos futuros - o Telescópio Espacial James Webb, telescópios extremamente grandes no solo e talvez futuros telescópios espaciais muito grandes - serão capazes de procurar por oxigênio e água.

Pode haver um monte de outros caminhos para a vida que ainda não entendemos. Em nosso sistema solar, as pessoas pensam que você pode ter vida sob o gelo de algumas das luas dos planetas exteriores. Nós voamos com espaçonaves por esses planetas, mas ainda não podemos dizer. Também há pessoas que pensam que pode haver vida em Marte - mas não sabemos ao certo, embora tenhamos robôs dirigindo na superfície. Portanto, descobrir se há vida a 100 anos-luz daqui será muito incerto!

Somos embaraçosamente centrados no ser humano naquilo que escolhemos como um sinal de vida. Mas se encontrarmos um exoplaneta com uma química que parece inimaginavelmente estranha, as pessoas tentarão entender se há uma explicação biológica para isso.

10. Por que devemos nos preocupar com exoplanetas que não são como a Terra?
A resposta curta: quanto mais sabemos sobre outros exoplanetas, mais podemos descobrir sobre o que torna a Terra especial - ou não.

Macintosh: Os exoplanetas podem nos ajudar a nos contar sobre os processos que fazem os planetas se formarem e evoluírem, e entender isso pode ser a chave para encontrar exoplanetas que realmente são como a Terra.

Já sabemos que provavelmente há um bom número de planetas à distância certa do sol (na zona habitável) e do tamanho certo (como a Terra), mas uma coisa que ainda é especial sobre a Terra é que ela tem a quantidade certa de atmosfera. Isso está relacionado à forma como se formou e à história de nosso sistema solar. Portanto, se sabemos que outros sistemas solares se formaram com uma história semelhante, poderíamos inferir que os planetas que se formaram nesses sistemas solares podem ter uma atmosfera semelhante à da Terra.

Também estamos usando tudo o que podemos observar agora para tornar nossos telescópios melhores. Meu grupo estuda planetas com o dobro do tamanho de Júpiter, e podemos medir do que são feitos. Assim que tivermos telescópios melhores no espaço, o software que usaremos será o mesmo que usaremos se algum dia medirmos a composição de um planeta como a Terra.

11. Que grandes avanços ou descobertas você acha que podem estar ao virar da esquina?
A resposta curta: pode haver um anúncio de oxigênio em um planeta do tamanho da Terra - mas eu duvido.

Macintosh: Se tivermos sorte, poderemos medir a composição dos exoplanetas do tamanho da Terra na zona habitável usando trânsitos. Recentemente, tivemos o primeiro espectro realmente bom de um planeta de zona habitável, mas tinha o dobro do tamanho da Terra, o que o torna não especialmente habitável.

Há uma missão agora chamada Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) que supostamente descobre planetas na zona habitável de pequenas estrelas que estão perto da Terra. Se lançarmos o Telescópio Espacial James Webb, ele será sensível o suficiente para medir sua luz ou espectro. Com esses dois instrumentos, nos próximos seis anos ou mais, passaremos de mal compreender a composição atmosférica de um ou dois pequenos planetas para conhecer dezenas - alguns dos quais estarão exatamente nesta zona habitável, escala do tamanho da Terra . O oxigênio acabou sendo muito difícil para James Webb detectar, mas, se tivermos sorte, um exoplaneta pode ter uma atmosfera grande e fofa que seja fácil de ver.

Também obteremos as primeiras medições reais da composição atmosférica desses sistemas que são estranhos e nada parecidos com os nossos. Do que esses planetas são realmente feitos?

Como uma pessoa pessimista no campo, não acho que veremos oxigênio de um planeta como a Terra, mas acho que aprenderemos muito sobre a composição atmosférica de centenas e centenas de planetas. Por enquanto, o hardware para fazer isso é sentar em uma sala limpa em Los Angeles e os dedos cruzados para que ele saia de lá e vá para o espaço.

12. Quais notícias sobre exoplanetas você ficaria surpreso em ver?
A resposta curta: qualquer coisa que diga que encontramos vida porque encontramos oxigênio.

Macintosh: Eu diria às pessoas para terem cuidado com qualquer coisa que diga que encontramos oxigênio e isso significa que existe vida.

Se conseguirmos uma detecção de oxigênio com James Webb, não será uma medição forte e significativa. Portanto, há alguma chance de que simplesmente não seja oxigênio. Mesmo se for, não acho que teremos contexto suficiente para saber com certeza que uma explicação biológica é a explicação mais provável - muito menos uma explicação definitiva.


Ilustração que mostra o Gemini Planet Imager

13. Com quais desenvolvimentos futuros para o seu grupo você está animado?
A resposta curta: o Gemini Planet Imager vai examinar novos tipos de exoplanetas. Também esperamos enviar um telescópio ao espaço e desenvolver uma “sombra de estrela” para um novo tipo de caça ao planeta.

Macintosh: Neste momento, estamos estudando vários planetas com nosso Gemini Planet Imager no Chile. O menor que encontramos tem cerca de 25 milhões de anos, duas a três vezes a massa de Júpiter e meio que orbita onde Saturno está. Vamos reconstruir o instrumento, torná-lo mais sensível e movê-lo para um telescópio no Havaí. Isso nos permite olhar para uma parte diferente do céu e esse local tem melhores condições atmosféricas.

Em nossa primeira pesquisa, não vimos nenhum desses planetas gigantes nas partes externas dos sistemas solares que tinham estrelas como o sol. Vimos algumas estrelas ao redor que eram mais massivas que o sol. Agora, queremos aumentar a sensibilidade para procurar planetas com tamanhos ainda mais próximos de Júpiter - o que pode ser muito raro. Também poderemos observar os “bebês Júpiteres extra-jovens” que estão ativamente crescendo em direção ao seu tamanho normal, o que poderia nos dizer mais sobre a formação planetária.

Para obter exoplanetas menores que Júpiter, precisaremos de uma missão espacial. Indo para o espaço, nossas medições seriam cem ou mil vezes mais sensíveis do que o que estamos fazendo agora, o que é bastante impressionante. Estamos trabalhando em um Telescópio Espacial Nancy Grace Roman , que deve ser lançado por volta de 2025, e levará parte da tecnologia que usamos para o espaço. Por enquanto, estamos apenas tentando demonstrar a tecnologia, então ela ainda será limitada aos "grandes Júpiteres" mais antigos. Mas, se funcionar como esperamos, essa mesma tecnologia seria capaz de ver planetas semelhantes à Terra se fosse colocada em um telescópio maior e ligeiramente melhor.

Há uma abordagem diferente para detectar planetas que tenho trabalhado com Simone D'Amico, do nosso Departamento de Aeronáutica e Astronáutica. É chamado de sombra de estrela e usa duas espaçonaves: uma para bloquear a luz da estrela e outra para observar o exoplaneta. Temos um conceito para uma mini versão da sombra de estrela que testaria a tecnologia antes que alguém construísse uma versão em tamanho real de um bilhão de dólares. Se conseguiremos fazer isso não está claro, mas é um conceito legal.

14. O que vem a seguir para a astronomia como um campo?
A resposta curta: Estamos tentando decidir!

Macintosh: A astronomia está tentando decidir o que faremos nos próximos 20 anos, qual será nossa próxima grande missão espacial. Tentamos olhar para planetas semelhantes à Terra? Ou estudamos mais as ondas gravitacionais? Ou estudamos mais os raios X de buracos negros?

Estou envolvido no processo para descobrir isso, chamado de Pesquisa Decadal. Passava muito tempo em pequenas salas de reuniões com oxigênio limitado - e agora são muitas videoconferências - mas é uma discussão importante sobre o futuro da astrofísica com muitas pessoas inteligentes. Daqui a vinte anos, posso não estar mais praticando astrofísica, mas as decisões que estamos tomando agora podem determinar quais missões meus pós-doutorandos e alunos farão.

 

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