A verdade sobre os exoplanetas

Artigo traduzido de Nature. Autor: Jeff Hecht.

A gota de descobertas tornou-se uma enxurrada.

Pouco mais de duas décadas depois dos primeiros planetas serem encontrados orbitando outras estrelas, instrumentos aprimorados no solo e no espaço nos enviaram uma contagem crescente: agora passam de 2 mil. As descobertas incluem “Júpiteres quentes”, “super-Terras” e outros corpos sem representantes no nosso Sistema Solar – e obrigaram os astrônomos a repensar radicalmente suas teorias de como os sistemas planetários se formam e evoluem.

No entanto, as descobertas estão apenas começando. Os astrônomos estão indo agressivamente para uma fase crucial na investigação de exoplanetas: descobrir como esses mundos são. A maioria das técnicas de busca pelos exoplanetas revelam muito pouco além da massa, tamanho e órbita do planeta. Ele é rochoso como a Terra ou um gigante gasoso como Júpiter? É devastadoramente quente ou possui um frio congelante? Do que sua atmosfera é composta? E essa atmosfera contem moléculas tais como água, metano e oxigênio em proporções ímpares e instáveis que podem ser uma assinatura de vida?

A única ferramenta confiável que os astrônomos podem usar para lidar com tais questões é a espectroscopia: uma técnica que analisa os comprimentos de onda da luz que vem diretamente da superfície de um planeta, ou que atravessa sua atmosfera. Cada elemento ou molécula produz um padrão característico de “linhas” – picos de emissão de luz ou quedas de absorção em comprimentos de onda conhecidos – então observadores podem olhar o espectro de um objeto distante para fazer uma leitura de quais substâncias estão presentes. “Sem a espectroscopia, de alguma forma você precisa adivinhar o que você vê”, diz Ian Crossfield, astrônomo da Universidade do Arizona em Tucson.

Mas a espectroscopia necessita de uma visão clara do objeto, o que geralmente não acontece com os exoplanetas. A maioria dos novos mundos aparecem apenas como um escurecimento infinitesimal de uma estrela conforme o planeta, de outra forma invisível, passa em sua frente; outros são conhecidos apenas a partir da ligeira oscilação de uma estrela sendo puxada pela gravidade de um companheiro invisível. Os astrônomos costumam dizer que tentar estudar tal objeto é como olhar para um distante holofote (estrela) e tentar ver um vaga-lume (planeta) nas proximidades.

Nos últimos anos, no entanto, os observadores começaram a fazer progressos. Alguns têm extraído os espectros da luz que passa através das atmosferas de exoplanetas enquanto cruzam a face de suas estrelas-mãe – o equivalente a medir a cor das asas dos vaga-lumes enquanto ele voa através do feixe do holofote. Outros têm bloqueado a luz da estrela-mãe para ver exoplanetas em órbitas distantes e registrar seus espectros diretamente.

Nos últimos dois anos, os astrônomos começaram a registrar espectros a partir de uma nova geração de instrumentos customizadas, como o Gemini Planet Imager no telescópio de 8,1 metros Gemini South, no cume do Cerro Pachon, no Chile. A espectroscopia de exoplanetas será uma prioridade para várias naves espaciais e telescópios terrestres que estão em desenvolvimento. E os astrônomos estão esperando ansiosamente pelo James Webb Space Telescope da NASA (JWST), que trará sensibilidade e poder de coleta de luz sem precedentes quando for lançado em 2018.

Estes são tempos emocionantes para aqueles que desejam obter uma compreensão profunda dos mundos recém-descobertos, diz Thayne Currie, astrônomo do Telescópio Subaru do Japão, em Mauna Kea, Havaí. “Estamos à beira de uma revolução.”

Espectroscopia de trânsito

O primeiro exoplaneta orbitando uma estrela semelhante ao Sol foi descoberto em 1995, quando os astrônomos Michel Mayor e Didier Queloz, do Observatório de Genebra, na Suíça, detectaram uma oscilação regular no movimento da estrela 51 Pegasi. Eles concluíram que essa oscilação era causada pela gravidade de um planeta com pelo menos 150 vezes a massa da Terra – cerca de metade da massa de Júpiter – orbitando a estrela a cada 4 dias, aproximadamente. Uma febre de outras descobertas de exoplanetas tomou conta e levou os gerentes de vários telescópios disponibilizarem mais tempo de observação para a caça dos exoplanetas.

A lista de achados logo despertou uma ideia do astrônomo David Charbonneau do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, em Cambridge, Massachusetts. Ele argumentou que quando um planeta “transita”, ou passa na frente de uma estrela, moléculas na sua atmosfera absorvem um pouco da luz das estrelas, e deixam suas impressões digitais espectroscópicas nela. Seria possível detectar estas impressões digitais?

Para descobrir, Charbonneau decidiu procurar sódio. “Ele não é particularmente abundante”, ele diz, “mas o sódio tem características espectroscópicas muito claras” – moléculas excitadas emitem duas linhas muito fortes de luz, que iluminam sua conhecida cor amarelo-laranja. Quando o sódio é iluminado, a luz emitida tem faixas escuras nos mesmos pontos do espectro, e Charbonneau esperava que elas seriam relativamente fáceis de detectar.

E foi: em 2002, Charbonneau e seus colegas de trabalho anunciaram que tinham usado o telescópio espacial Hubble para detectar um sinal de sódio em um exoplaneta do tamanho de Júpiter transitando HD 209458, uma estrela a cerca de 47 parsecs (150 anos-luz) da Terra. Foi a primeira detecção e a primeira medição espectroscópica de uma atmosfera exoplanetária. Dentro de alguns anos, as observações de trânsito estavam gravando espectros mais completos e detectando gases como o monóxido de carbono e vapor de água.

Usar essa técnica significa olhar para mudanças muito pequenas no espectro de uma estrela, diz Charbonneau – talvez 1 parte em 10 mil. O Hubble foi e é a primeira escolha de instrumento dos observadores: ele não tem que lidar com a absorção de luz por gases na atmosfera da Terra, de modo que seus espectros são muito limpos e fáceis de interpretar. Mas a competição pelo tempo para observar é intensa, por isso os astrônomos também usam telescópios terrestres.

O telescópios terrestres precisam lidar com a interferência atmosférica, mas pode superá-la recolhendo mais luz do que o Hubble. Isto permite detectar objetos mais fracos e separar as características espectrais individuais mais claramente. Isso compensa porque a maioria dos exoplanetas estão em sistemas estelares que estão se movendo em relação à Terra. “Então, seus comprimentos de onda estão em deslocamento Doppler”, diz Charbonneau, o que significa que a radiação vinda deles é esticada ou espremida por seu movimento, deslocando ligeiramente as linhas espectrais das linhas correspondentes a atmosfera da Terra. Uma vez que os dois conjuntos de linhas espectrais não se sobrepõem, os observadores podem saber ao certo quanto do sinal vem do exoplaneta. Usando este método, os astrônomos foram capazes de detectar gases que compõem 1 parte em 100 mil da atmosfera de um planeta.

Uma extensão da técnica de espectroscopia de trânsito permitiu aos astrônomos medir a luz refletida da face do planeta. Eles fazem isso depois do planeta se mover através da face da sua estrela, quando ele está no lado mais distante de sua órbita, com o seu lado iluminado de frente para a Terra. Os observadores não são capazes de vê-lo como um objeto separado – mas eles vão saber que seu espectro está combinada com o da estrela, diz Nicolas Cowan, astrônomo do McGill Space Institute, em Montreal, Canadá. Pouco depois, no entanto, o planeta vai passar atrás da estrela e ser eclipsada – altura em que, diz Cowan, “você vai de um planeta e uma estrela para apenas uma estrela. Se você medir a diferença de fluxo, você pode dizer a quantidade de luz vinda do planeta”. O processo é exigente, diz ele, mas ele pode medir os espectros de infravermelho de um planeta do tamanho de Júpiter em uma órbita próxima, mesmo que tenha menos de 0,1% do brilho da estrela.

Uma aplicação ainda mais ambiciosa desta técnica é a de seguir um exoplaneta através de uma órbita completa. Subtraindo o espectro das estrelas obtidos durante o eclipse do planeta, os observadores podem obter espectros da atmosfera do planeta enquanto suas silhuetas mudam de um crescente fino, logo após o trânsito, para um formato de meia-lua à medida que se movimentam, e em seguida,  vemos a face completa do outro lado. Isto permite produzir um mapa comparativo de granulação da atmosfera e como ela muda ao longo do tempo. Cowan e seus colegas de trabalho relataram o primeiro uso desta técnica em 2012, com os dados infravermelhos do telescópio espacial Spitzer da NASA. Eles mostraram que o exoplaneta HD 189733b era 10 graus mais quente em seu equador, como previsto. Desde então, outros pesquisadores usaram o Hubble e o Spitzer para mapear atmosferas de exoplanetas em mais detalhes. E Cowan afirma que, com o JWST, ” será fácil fazer um mapa 3D da atmosfera de um Júpiter quente”.

A espectroscopia de trânsito tem suas limitações. Alguns exoplanetas quase não possuem características espectrais de suas nuvens, que consistem em gotículas ou partículas de poeira fina que não deixam marca no espectro da mesma forma que moléculas isoladas. As nuvens são uma grande dor de cabeça, diz Charbonneau. “Não temos qualquer medição direta do que elas são feitas. Nós só sabemos que elas bloqueiam a luz”. Elas não são necessariamente feitas de vapor de água. Charbonneau salienta que a super-Terra GJ1214b envolta em nuvens, a 12 parsecs da Terra, é tão quente que suas nuvens poderiam ser feitas de sulfeto de zinco e cloreto de potássio. Em mundos ainda mais quentes, as nuvens podem conter gotículas de ferro ou rocha.

Lisa Kaltenegger, diretora do Instituto Carl Sagan da Universidade de Cornell em Ithaca, Nova York, aponta para outra limitação do método de trânsito. “Quando a luz atinge um planeta em trânsito, não é apenas absorvida”, diz ela. “Ele também é curvada na atmosfera”, tornando sua visão impossível para um observador na Terra. Esta curvatura, conhecida como refração, aumenta à medida que a atmosfera torna-se mais espessa. Se astrônomos alienígenas estivessem tentando obter uma leitura espectroscópica da Terra, diz ela, a refração iria impedi-los de sondar a mais de 10 quilômetros de profundidade da superfície. Mas a maior parte da água da Terra está a menos de 10 quilômetros da atmosfera, diz ela – então, por analogia, “a água vai ser uma das coisas mais difíceis de encontrar em um exoplaneta parecido com a Terra”.

Imagens diretas

Uma abordagem alternativa para encontrar e estudar planetas extrasolares é tentar bloquear a luz das estrelas e fazer imagens diretamente, o equivalente a olhar para o vaga-lume mantendo uma mão na frente do holofote. Os primeiros esforços para fazer isso foram inúteis: mesmo a estrela-mãe mais fraca é muito mais brilhante do que um exoplaneta. O segredo do sucesso é buscar vaga-lumes brilhantes bem longe do holofote – isto é, jovens planetas ainda brilhando o calor de sua formação, em órbitas distantes de suas estrelas. Os primeiros exoplanetas fotografados diretamente foram anunciados por dois grupos simultaneamente em 2008. Os objetos incluíram 3 planetas com cerca de 60 milhões de anos que orbitam a estrela HR 8799, e um único planeta com mais de 100 milhões de anos orbitando Fomalhaut, uma estrela brilhante a cerca de 8 parsecs da Terra.

Para obter o espectro de tais objetos, os astrônomos se voltaram para a óptica adaptativa, uma tecnologia que corrige o piscar de uma estrela causado pela turbulência na atmosfera da Terra e torna muito mais fácil detectar quaisquer exoplanetas em sua vizinhança. Além disso, discos inseridos no percurso óptico do telescópio para bloquear a luz da estrela e processadores de sinal sofisticados para melhorar digitalmente as imagens são essenciais.

“Espectros da geração de imagens diretas são lindos e nos diz muito sobre os planetas e como se formaram”, diz Bruce Macintosh, astrônomo da Universidade de Stanford, na Califórnia e co-descobridor dos planetas da HR 8799. Em 2011, ele e seus colegas relataram a primeira detecção de vapor de água em um desses planetas usando um instrumento de imagens diretas de primeira geração que podia observar apenas exoplanetas com temperaturas superiores a 1000 graus Kelvin. Agora, Macintosh é o principal pesquisador do Gemini Planet Imager juntamente com o Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research (SPHERE) no Very Large Telescope do Observatório Europeu do Sul, no Chile, instrumentos da segunda geração construídos para fazer imagens diretas e obter espectros de exoplanetas com temperaturas abaixo de 600 Kelvin.

O instrumento Gemini iniciou um busca de vários anos por planetas do tipo Júpiter orbitando jovens estrelas quentes em novembro de 2014. As primeiras observações de 51 Eridani, uma estrela de 20 milhões de anos de idade, a cerca de 30 parsecs de distância da Terra, viu um mundo do tipo Júpiter 2,5 vezes mais longe da estrela do que Júpiter está do Sol. O espectro mostrou que este exoplaneta, chamado de 51 Eridani b, tem uma atmosfera contendo mais metano – um componente conhecido da atmosfera de Júpiter – do que qualquer outro exoplaneta. “A coisa realmente emocionante com 51 Eridani b e outros novos exoplanetas”, diz Currie, “é que nós os vimos quando seus espectros pareciam normais” e esses planetas do tipo Júpiter são ainda mais jovens e mais quentes, onde o metano é estranhamente ausente. Isso poderia fornecer informações cruciais para a formação planetária, a teoria atual é baseada principalmente em dados do Sistema Solar.

O SPHERE embarcou em uma pesquisa similar, mas começou mais tarde, em Fevereiro de 2015, e tem menos a relatar. Até agora, diz o membro da equipe Anthony Boccaletti, astrônomo do Observatório de Paris, a descoberta mais interessante é um grupo de cinco aglomerados de gás se afastando em alta velocidade da jovem estrela AU Microscopii, que é conhecida por ser extraordinariamente propensa a erupções e outras atividades. “Nós realmente não sabemos o que são”, diz ele.

Sondando das estrelas

A espectroscopia de exoplanetas já percorreu um longo caminho desde seus primeiros dias, quando os praticantes estavam lutando para extrair sinais extremamente fracos de ambientes ruidosos. Os primeiros resultados eram muitas vezes problemáticos. Agora, Crossfield diz, “na maioria das vezes o que nós encontramos se mantém e se repete”.

A próxima geração de instrumentos promete revelar ainda mais. O Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) da NASA, programado para lançamento em agosto do próximo ano, vai passar dois anos à procura de exoplanetas transitando mais de 200 mil das estrelas mais brilhantes na vizinhança solar. Exoplanetas também serão alvos para o JWST. Com seu telescópio de 6.5 metros e instrumentos avançados, o Webb deve ver muito mais do que o telescópio de 2,4 metros Hubble. “TESS e Webb serão donos deste espaço em cinco anos”, prevê Macintosh.

Duas outros missões espaciais planejadas – mas ainda não aprovadas – irão usar espectroscopia de exoplanetas. O Wide Field Infrared Survey Telescope de 2,4 metros da NASA deverá ser lançado na década de 2020, e passará a maior parte de seu tempo em questões cosmológicas, mas espera-se que ele encontre e estude cerca de 2600 exoplanetas. Currie diz que ele deve ser capaz de fazer imagens de planetas do tipo Júpiter orbitando estrelas próximas, embora corpos menores, mais frios, análogos à Plutão ou ao hipotético ‘Planeta X’ especulado para existir na borda do Sistema Solar, permanecerão fora de alcance. “Precisaríamos de um telescópio de 10 metros no espaço para identificar outras Terras”, diz Macintosh.

A segunda missão é ARIEL, Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-survey, um dos três candidatos para uma missão de classe média a ser lançada pela Agência Espacial Europeia em 2026. O telescópio de 1 metro seria dedicado à espectroscopia de trânsito e pesquisaria exoplanetas a temperaturas superiores a 500 Kelvin.

Em cerca de uma década, os astrônomos esperam ver a conclusão de três telescópios gigantescos: o Giant Magellan Telescope de 24,5 metros no Las Campanas Observatory no Chile, o Thirty-Meter Telescope planejado para Mauna Kea, e o European Extremely Large Telescope em Cerro Armazones no Chile. Todos os três serão equipados com sistemas de óptica adaptativa, e seguro apostar que eles farão espectroscopia de exoplanetas para testar modelos com base nos dados recolhidos até esse ponto.

Essas medidas poderiam ser a primeira chance real dos astrônomos encontrarem vida no universo, diz Charbonneau. “Eu estou muito animado”.