Como os astrônomos encontram exoplanetas?  5 dos melhores métodos, explicados

Como os astrônomos encontram exoplanetas? 5 dos melhores métodos, explicados

Em 21 de março, a NASA anunciou a confirmação do 5.000º planeta fora do nosso Sistema Solar. De gigantes gasosos escaldantes aninhados perto de sua estrela-mãe a mundos rochosos que podem hospedar água em sua superfície, há uma variedade para os cientistas estudarem.

Mas encontrar esses estranhos novos mundos é uma ciência em si. Só conseguimos detectar definitivamente planetas de qualquer tipo há algumas décadas e, mesmo assim, há desafios em detectar um objeto tão pequeno a essa distância, mesmo nos telescópios mais poderosos.

Inverso conversou com Marie-Eve Naud, pesquisadora de exoplanetas e coordenadora de divulgação do Instituto de Pesquisa em Exoplanetas da Universidade de Montreal, para nos contar mais sobre como os astrônomos encontram esses mundos e as considerações para cada método. Embora existam vários métodos, os citados abaixo são os mais comuns.

Os planetas podem causar mini-eclipses que revelam sua presença aos observadores da Terra. NASA

O método de trânsito

Os astrônomos encontraram a maioria dos exoplanetas conhecidos através do método de trânsito, demonstrado pela primeira vez em 1999 para confirmar a existência do planeta HD 209458b. O telescópio espacial Kepler da NASA, lançado em 2009, detectou milhares de planetas em um trecho fixo do céu perto da constelação de Cygnus. À medida que os planetas passavam pela face de sua estrela, diminuíam ligeiramente a luz estelar. Essas mudanças nos níveis de luz são detectáveis ​​por instrumentos chamados fotômetros.

Para que esse método funcione, os astrônomos devem detectar uma pequena mudança no brilho inerente (luminosidade) da estrela, geralmente menos de um por cento. No espaço, isso é mais fácil de realizar devido à falta de atmosfera interferindo nas observações e é o método preferido para missões como o Characterizing Exoplanet Satellite (Cheops) da Agência Espacial Européia e o Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) da NASA.

Naud alertou que são necessárias várias detecções, o que significa que um planeta deve ser visto em várias órbitas para garantir que a luz fraca não seja devido a manchas solares ou poeira. “Você geralmente espera até ver dois ou três trânsitos”, disse ela, enfatizando que os astrônomos querem uma grande quantidade de dados do método de trânsito antes de confirmar que um planeta está lá.

Uma vez que um planeta é detectado, os astrônomos podem estimar seu raio. Os astrônomos devem encontrar a massa separadamente (muitas vezes através do método da velocidade radial, detalhado abaixo). Se os astrônomos podem determinar a massa e o raio de um planeta, eles podem determinar se ele é provavelmente rochoso ou gasoso, o que tem implicações significativas para a vida.

Se eles acharem o planeta rochoso e em uma zona da estrela-mãe que pode hospedar água, por exemplo, eles podem considerá-lo habitável. Mas há complicações, como se o planeta está próximo de uma estrela que frequentemente entra em erupção, como uma anã vermelha. Erupções constantes cobrem um mundo de radiação e ameaçam quaisquer micróbios emergentes. É por isso que os astrônomos não têm certeza se o TRAPPIST-1, por exemplo, hospeda algum exoplaneta habitável, embora os astrônomos tenham encontrado sete planetas do tamanho da Terra neste sistema e alguns estejam na zona habitável.

Alguns planetas são invisíveis para nós e precisamos confirmar sua existência por outros meios, incluindo seu puxão gravitacional. NASA

Método de velocidade radial

A velocidade radial é uma maneira comum de encontrar planetas, especialmente com observatórios como o instrumento High Accuracy Radial velocity Planet Searcher (HARPS) no telescópio La Silla 3,6m do Observatório Europeu do Sul, no Chile.

“Muitas vezes dizemos que o planeta orbita em torno da estrela, mas, na verdade, ambos os objetos são baseados em seu centro de massa”, explicou Naud. “Essa estrela está se movendo levemente, se tiver um planeta. Se tiver muitos, terá um movimento complexo”.

A chave é olhar para o espectro da estrela. À medida que a estrela se move em nossa direção, sua luz é comprimida e o espectro muda para vermelho. À medida que a estrela se afasta, sua luz é esticada e o espectro muda para azul. O espectro da estrela é ligeiramente afetado pelo movimento do planeta, tornando-o “uma espécie de código de barras da estrela”, explicou Naud.

A primeira detecção de um planeta em torno de uma estrela semelhante ao Sol com este método ocorreu em 1995, quando Didier Queloz e Michel Mayor publicaram suas descobertas em 51 Pegasi b. Mas não foi a primeira detecção de um planeta – dois foram relatados em torno do pulsar PSR B1257+12 em 1992, com um terceiro planeta confirmado em 1994. Os astrônomos Aleksander Wolszczan e Dale Frail detectaram os planetas através de mudanças intermitentes no rádio do pulsar sinal, correspondendo a um planeta em órbita passando entre o pulsar e a Terra. Ele mostra a variedade de meios científicos pelos quais podemos encontrar mundos diferentes.

Quatro planetas foram fotografados diretamente no sistema HR 8799 – todos mais massivos que Júpiter. Jason Wang (Caltech)/Christian Marois (NRC Herzberg)

Imagem direta

Imagens diretas permitem que os cientistas removam a luz de uma estrela para ver exoplanetas diretamente. Você pode pensar que este é um método fácil, mas é mais complicado do que parece. Dado que esses planetas são muito pequenos e têm relativamente pouca luz refletida para um telescópio ver, a técnica ainda é complicada para os astrônomos realizarem com a tecnologia de telescópios atual. É por isso que os astrônomos encontraram apenas 60 ou mais planetas com essa técnica até agora.

Ainda assim, há benefícios: “É o único método que permite a detecção direta de exoplanetas”, disse Naud. Embora esses planetas sejam pontos de luz por enquanto, poderemos ver mais detalhes em suas atmosferas e em suas superfícies em um futuro distante.

Existem dois métodos principais que os cientistas usam para fazer imagens diretas hoje. A primeira, a coronagrafia, bloqueia a luz da camada mais externa da estrela (ou corona) usando um dispositivo dentro do telescópio chamado coronógrafo para criar um eclipse artificial para detectar planetas.

Por exemplo, o Gemini Planet Imager do Canadá está instalado no telescópio de 8,1 metros no Observatório Gemini Sul, Cerro Pachon, Chile. Usando um coronógrafo, encontrou o primeiro “jovem Júpiter” conhecido, 51 Eri b, em agosto de 2015. (Naud disse que o GPI é considerado um pioneiro em imagens diretas.)

O segundo método é um starshade, que bloqueia a luz de uma estrela antes que ela se mova dentro do telescópio. As sombras estelares projetadas para exoplanetas precisam ser uma espaçonave separada de um telescópio para garantir que tenham a distância e o ângulo adequados para bloquear a luz das estrelas de forma eficaz, ao contrário das sombras estelares usadas para proteger da luz de nossa estrela, como a construída no Telescópio Espacial James Webb. Até o momento, uma sombra estelar não voou no espaço.

O Hubble detectou alguns exoplanetas com microlentes – e o Telescópio Espacial James Webb pode ter a oportunidade de fazer o mesmo.NASA

Microlente gravitacional

Embora os astrônomos tenham detectado uma minoria significativa de planetas (mais de 130 no momento) com uma técnica chamada microlente, as observações são difíceis de acompanhar. O problema é que muitas vezes vemos esses mundos apenas uma vez. Isso porque eles usam um fenômeno, descrito pela primeira vez por Einstein, onde um grande objeto em primeiro plano (como uma estrela ou galáxia) desvia a luz de um objeto muito menor para trás. Como esses alinhamentos no céu são breves e não podem ser previstos, isso geralmente significa que não podemos examinar um planeta em particular novamente.

“É um pouco frustrante, porque acontece uma vez quando você tem um alinhamento perfeito com um objeto de fundo”, disse Naud, alertando que é um desafio estabelecer o trabalho para estudos futuros “porque vimos isso apenas uma vez”.

O alinhamento muda um pouco quando um planeta – que tem gravidade própria – se envolve. A gravidade do planeta adiciona um evento de lente adicional à luz da estrela, iluminando a imagem da estrela de fundo e permitindo que os astrônomos aprendam muito sobre esse planeta, incluindo sua massa e período orbital, apesar da natureza fugaz do evento.

Os astrônomos detectaram pela primeira vez um planeta com este método em 2003. A detecção combinou as capacidades do polonês Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), que examina a variabilidade das estrelas, com as Observações de Microlentes em Astrofísica do Japão/Nova Zelândia (MOA). O evento de microlente é conhecido como 2003-BLG-235 e provavelmente era um planeta com 1,5 vezes a massa de Júpiter.

O planeta microlente confirmado mais distante é MOA-2011-BLG-291L b, localizado a 28.700 anos-luz de distância. No entanto, há evidências circunstanciais de planetas fora da nossa galáxia, mas como os eventos de microlentes são tão fugazes, é impossível confirmá-los.

A astrometria depende de mudanças na posição de uma estrela causadas por um planeta. Agência Espacial Europeia

Astrometria

A astrometria rastreia deslocamentos na posição de uma estrela produzida por um exoplaneta em órbita. Como as estrelas e seus planetas orbitam um baricentro, os astrônomos podem detectar a oscilação de uma estrela causada por um planeta com instrumentos extremamente precisos. A técnica é bastante difícil, pois se baseia em observações ainda mais precisas do que a velocidade radial e tem sido fonte de várias reivindicações controversas.

Um exemplo notório das dificuldades da astrometria para descobertas de exoplanetas veio em 1963. O astrônomo do Swarthmore College, Peter van de Kamp, anunciou que havia encontrado um planeta ao redor da Estrela de Barnard usando o refrator de 24 polegadas de Swarthmore no Observatório Sproul. Descobriu-se que os ajustes no espelho primário do telescópio produziram um sinal espúrio e os exoplanetas não existiam.

Espera-se que a missão Gaia da Agência Espacial Europeia, que mapeia precisamente as posições das estrelas a partir do espaço, use a astrometria para procurar exoplanetas. A próxima liberação de dados, prevista para o final deste ano, pode incluir as primeiras detecções astrométricas de exoplanetas.

O Arquivo de Exoplanetas da NASA lista apenas um planeta encontrado por astrometria: DENIS-P J082303.1-491201b, também conhecido como VB 10b. Como o planeta (ou anã marrom, dependendo da fonte consultada) não apareceu nas observações de velocidade radial de acompanhamento, no entanto, “a maioria dos pesquisadores considera outro falso positivo”, segundo a Planetary Society. Isso porque os cientistas geralmente preferem ter pelo menos duas detecções de um planeta para confirmar sua existência.

O futuro da caça aos exoplanetas

Embora as detecções de planetas no futuro próximo provavelmente usem variações dos métodos acima, algumas ideias mais avançadas podem nos permitir olhar para outros mundos com mais detalhes. Uma ideia, por exemplo, é usar o Sol como lente gravitacional. Uma espaçonave, no entanto, precisaria viajar a 550 distâncias Sol-Terra para usá-la efetivamente, o que é sete ou oito vezes mais longe do que a espaçonave Voyager da Terra.

No terreno, os cientistas aguardam com expectativa a primeira luz do Extremely Large Telescope, um observatório europeu que deverá captar imagens diretas de alguns planetas e caracterizar melhor as suas atmosferas. Está programado para começar a trabalhar em 2027.

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