O método Doppler e Proxima Centauri

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O método para detectar a velocidade radial de exoplanetas baseia-se na detecção de variações na velocidade da estrela central, devido à mudança de direção da força gravitacional a partir do (invisível) exoplaneta enquanto orbita a estrela. Quando a estrela se move em direção a nós, seu espectro é azul, quando ele se afasta, é vermelho. Através da análise regular do espectro de uma estrela, pode-se ver se ela se move periodicamente devido à influência de um companheiro. Créditos de imagem: ESO.

Artigo traduzido de Pale Red Dot. Autor: Hugh R. A. Jones.

Proxima Centauri é a estrela mais próxima ao Sol, por isso o nome. No entanto, gravitacionalmente falando, ela pertence a um sistema triplo no qual orbita um sistema binário central a uma distância de 10 mil vezes a distância entre a Terra e o Sol. Os membros do binário interior são designados como Alpha Centauri A e B. Eles orbitam um ao outro a uma distância 20 vezes maior do que a distância entre a Terra e o Sol. Alpha Centauri A e B são bem semelhantes ao nosso Sol. Os componentes de um sistema de estrelas múltiplas são nomeados pela adição de letras maiúsculas para o nome da estrela. Alpha Centauri A é o componente mais brilhante, Alpha Centauri B é a segunda estrela, ligeiramente mais fraca, e Alpha Centauri C é a muito mais fraca Proxima Centauri. Atualmente, Alpha Centauri A e B estão muito próximas uma da outra no céu e aparecem como o segundo mais brilhante objeto noturno no céu do sul – depois de Canopus, que é uma estrela mais quente, mais distante. Proxima Centauri não foi descoberta até 1915, em parte devido a sua luminosidade ser somente 0,1% da do Sol. Apesar de estar ao nosso lado (astronomicamente falando), não foi facilmente descoberta perto de seus vizinhos mais brilhantes.

Naturalmente, as pessoas têm especulado as possibilidades de um local próximo suportar a vida além do sistema solar. Em 2012, uma velocidade radial, ou oscilação Doppler, de Alpha Centauri B revelou o sinal de um planeta com a massa aproximada da Terra numa órbita de três dias. No entanto, vários estudos posteriores analisaram exatamente os mesmos dados e não confirmaram o sinal reivindicado. A descoberta de 2012 dependia de um modelo representando a atividade de Alpha Centauri B, assim como seria necessário contabilizar os efeitos da rotação solar, atividade e o ciclo das manchas solares se alguém estivesse interessado em detectar a Terra ao lado do Sol. Vários cientistas têm trabalhado arduamente na contabilização dos ciclos de atividade estelar mas até agora a evidência de um planeta com a massa aproximada da Terra em torno de Alpha Centauri B não foi confirmado.

Alguém poderia perguntar por que nós e o estudo de 2012 da Alpha Centauri B usamos a técnica de oscilação Doppler em todos os planetas que foram descobertos pelo telescópio espacial Kepler. É importante entender que a detecção pelo Kepler requer que o planeta bloqueie a luz da estrela, então, por mais que as pesquisas de trânsito tenham de enorme sucesso, elas só podem mostrar objetos ao redor de pequena fração de estrelas cujo alinhamento acontece para dar origem a um sinal de trânsito. Por outro lado, a oscilação Doppler, ou sinais de velocidade radial, pode, potencialmente, ser utilizado para todas as estrelas com planetas, a menos que tenham órbitas verticais do nosso ponto de vista.

Em princípio, Proxima Centauri apresenta uma oportunidade melhor para procurar planetas porque sua massa e raio são apenas 10% de Alpha Centauri B. A massa mais baixa de Proxima Centauri significa que um planeta com a mesma massa em órbita poderia ser proporcionalmente mais fácil de detectar. Claro que isso vai depender dos detalhes! Para a nossa pesquisa, medimos a oscilação Doppler induzida pelo planeta em sua estrela-mãe por meio da força gravitacional exercida um sobre o outro. No caso de Alpha Centauri B, o sinal reivindicado foi de 51 centímetros por segundo (1,8 km/h), cerca da velocidade de um bebê, com uma massa próxima à da Terra, engatinhando. No entanto, se encontramos este sinal em torno de Proxima Centauri, uma estrela muito mais leve, ele corresponderia a um planeta ainda mais leve.

Exemplo de medições (em vermelho) no sinal Doppler causados por um exoplaneta na estrela. Mudanças na velocidade da estrela 51 Peg, semelhante ao Sol, foram usadas por M. Mayor e Queloz D. para inferir a presença de um planeta gasoso gigante com uma órbita de curto período em torno da estrela.
Exemplo de medições (em vermelho) no sinal Doppler causados por um exoplaneta na estrela. Mudanças na velocidade da estrela 51 Peg, semelhante ao Sol, foram usadas por M. Mayor e Queloz D. para inferir a presença de um planeta gasoso gigante com uma órbita de curto período em torno da estrela.

 

Trabalhos anteriores sobre Proxima Centauri nos dá uma restrição que quaisquer sinais de planetas ao redor dela provavelmente não terá mais de 10 massas terrestres. A massa de Proxima Centauri – de cerca de um décimo do tamanho do Sol – significa que a proporção de massa entre ela e qualquer planeta em órbita será de pelo menos 3 mil. Para colocar isso em contexto, pense nas forças presentes quando você gira um objeto em uma corda em torno de seu corpo. No caso de um martelo olímpico, o lançador gira o martelo em torno de seu corpo em movimento, com a corda os mantendo juntos. Esta analogia, com o lançador de martelo sendo a estrela e o martelo sendo o planeta, serve para ilustrar que, embora o planeta faça a maioria do movimento, uma estrela com um planeta em órbita irá puxa-la um pouco para lá e para cá a medida que o planeta a orbita, e estes movimentos sutis da estrela aparecem como mudanças sutis na cor da luz da estrela que vemos da Terra.

A prova masculina de lançamento de martelo olímpico envolve uma esfera de aço com 7,3 kg ligado a um fio com uma alça. Uma vez que a bola tem 7,3 kg, é necessário um pouco de força e técnica para jogar um martelo, por isso os lançadores tendem a ser grandes e fortes. A força que o martelo exerce no lançador é bastante substancial, porque a massa do martelo é elevada em relação ao lançador. Quando Yuriy Sedykh definiu seu recorde mundial no lançamento de martelo, ele tinha cerca de 110 kg – uma proporção de massa de 15. A força substancial experimentada pelo atleta não é uma analogia particularmente estreita, porém, um planeta em torno Proxima Centauri teria uma relação de massa de pelo menos 3 mil.

O lançador de martelo Mike Mai praticando em Fort Lewis. Mai terminou em terceiro lugar no Campeonato Nacional dos EUA e em breve competirá no Campeonato Mundial de Atletismo em Berlim, Alemanha. Créditos de imagem: Phil Sussman.
O lançador de martelo Mike Mai praticando em Fort Lewis. Mai terminou em terceiro lugar no Campeonato Nacional dos EUA e em breve competirá no Campeonato Mundial de Atletismo em Berlim, Alemanha. Créditos de imagem: Phil Sussman.

 

Quando olhamos para a oscilação Doppler de estrelas devido a planetas invisíveis, na verdade procuramos detectar a pequena mudança na luz, resultado do periódico alongamento e compressão da luz de Proxima Centauri devido ao movimento induzido pelo planeta. Pode ser instrutivo pensar sobre o efeito Doppler em outros experimentos. Ouça enquanto um carro rápido passa por você ou fique na plataforma enquanto um trem de alta velocidade passa correndo através da estação. Nestes casos, só é possível perceber essas mudanças no som quando eles estão se movendo rapidamente. Enquanto um veículo que se move a 100 km/h (cerca de 30 m/s) só está se movendo cerca de dez vezes mais rápido do que Proxima Centauri, a mudança que nossos ouvidos percebem está acontecendo ao longo de um período de tempo muito menor que um segundo. No entanto, não esperamos que um planeta em órbita ao redor Proxima Centauri mude no período de menos de alguns dias para aparecer e mudar de azul para um vermelho. Se pensarmos em termos de ondas sonoras, a proporção de frequência entre duas notas adjacentes em um piano é de aproximadamente 1,06, que passa a ser equivalente à relação do recorde mundial no lançamento de martelo. A menor mudança de ondas sonoras que podemos perceber é de aproximadamente 3,6 Hz, que no meio C corresponde a uma relação bastante modesta de 75. Assim, mesmo as mais pequenas mudanças que podemos perceber na frequência de som não estão realmente perto de representarem o nível de efeito que estamos tentando medir.

Uma estrela orbitada por um exoplaneta oscila em torno do centro de massa do sistema, como visto na linha com o plano orbital do sistema. Créditos de imagem: Reyk.
Uma estrela orbitada por um exoplaneta oscila em torno do centro de massa do sistema, como visto na linha com o plano orbital do sistema. Créditos de imagem: Reyk.

Temos sorte pois a tecnologia moderna, juntamente com os dados de manuseio criativo construídos por sucessivas gerações de astrônomos e construtores de instrumentos, nos permite medir de forma confiável a frequência ou comprimento de onda da luz durante longos períodos de tempo. Ao invés de olhar para o céu e apreciar a maravilha misteriosa de todos os distantes pontos de luz, se tivermos acesso a um telescópio e uma câmera digital sensível podemos coletar luz suficiente de uma estrela e podemos fragmentar a luz de modo que, em vez de olhar para uma ampla gama de comprimentos de onda – luz branca como nós a percebemos – buscamos medir as mudanças sutis na luz de uma estrela em um comprimento de onda. Isto é equivalente a ver a luz das estrelas através de um prisma muito poderoso que nos permite dividir a luz branca num arco-íris cheio de cores. Na prática, isto é possível colocando a luz da estrela numa rede de difração. Ela é um pedaço de vidro (como uma lâmina de microscópio), que tem centenas de linhas retas, uma a cada milímetro. Isto permite dispersar a luz muito mais do que um prisma, o que permite a resolução de espécies atômicas individuais e moléculas que sofrem transições particulares a energias precisas. Sendo que Proxima Centauri está relativamente próxima de nós e o espaço é muito vazio, ela pode ser visto quando um espectro é feito, as linhas atômicas e moleculares que vemos corresponde às intensidades esperadas para a temperatura de Proxima Centauri; e o movimento, pois seu movimento em relação a nós serve para que possamos ter certeza de que o nosso instrumento está observando a atmosfera de Proxima Centauri.

Outro ingrediente-chave necessário para registrar precisamente a oscilação Doppler é uma fonte de referência estável para o espectrógrafo. No caso do nosso experimento, o instrumento HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) tem uma lâmpada Thorium Argon como fonte de referência. Uma lâmpada padrão funciona quando uma voltagem é aplicada para aquecer um filamento de tungstênio até brilhar e emitir luz. Em uma lâmpada fonte de referência, as tensões aplicadas são tão grandes quanto a dos elétrons nos átomos que são ionizados. Elementos adequados são escolhidos, aqueles que têm grande número de diferentes estados de energia. Quando elétrons excitados no átomo se movem entre os diversos estados de energia possíveis, eles emitem fótons de luz, que podem então ser detectados como uma floresta de linhas de emissão através de uma gama de comprimentos de onda.

À esquerda, podemos ver linhas de emissão de uma lâmpada Thorium Argon (http://tdc-www.harvard.edu/instruments/tres/). À direita, uma pequena fatia do espectro de Proxima Centauri é mostrado para comparação (Créditos de imagem: G. Anglada-Escudé). Características nítidas, como as linhas de ThAr, e as centenas de características de absorção no espectro de Proxima são ideais para medir precisamente as velocidades Doppler.
À esquerda, podemos ver linhas de emissão de uma lâmpada Thorium Argon (http://tdc-www.harvard.edu/instruments/tres/). À direita, uma pequena fatia do espectro de Proxima Centauri é mostrado para comparação (Créditos de imagem: G. Anglada-Escudé). Características nítidas, como as linhas de ThAr, e as centenas de características de absorção no espectro de Proxima são ideais para medir precisamente as velocidades Doppler.

O elemento pesado tório e o gás amortecedor argônio é a melhor combinação encontrada até agora. Sempre que fazemos um espectro de Proxima Centauri nós o comparamos com o espectro de referência da lâmpada Thorium Argon para determinar o quanto as linhas no espectro de Proxima Centauri se moveram. Durante todo o tempo a temperatura e a pressão da lâmpada Thorium Argon, e o espectrógrafo como um todo, são cuidadosamente controlados, a fim de que nada mude. A ideia é que nada no procedimento experimental deve ser alterado de uma medição de Proxima Centauri para a outra. Isto significa que nós podemos usar os dados gravados para inferir o movimento de Proxima Centauri e, portanto, qualquer oscilação Doppler pode ser devido a planetas a orbitando.

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