Vivendo no crepúsculo: uma visão geral dos nossos vizinhos estelares menores mais próximos

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Artigo traduzido de Pale Red Dot. Autor: Sergio Dieterich.

Quando os membros de nosso grupo de pesquisa foi o Observatório Inter-Americano Cerro Tololo nos Andes chilenos, passamos a maior parte do nosso tempo em uma acolhedora sala de controle aquecida. observação astronômica moderna é feita principalmente através da monitorização de telas de computador e digitando comandos para dizer ao telescópio para onde apontar. Se precisamos colocar nossos casacos de inverno e subir o lance de escadas para onde o telescópio está – sob a cúpula aberta – é porque algo deu errado e estamos tentando freneticamente resolver o problema e minimizar a perda de tempo precioso do telescópio. Há uma exceção. Como tradição do nosso grupo, decidimos que, quando estamos treinando um novo aluno, e a temporada e hora da noite são propícias, vamos até a cúpula e nosso novo colega olha através da ocular do telescópio. Fotografia não faz justiça à vista que emerge: um pontinho vermelho rubi brilhante de luz aparentemente flutua em frente a um vasto oceano de estrelas brancas mais fracas. Esse pontinho vermelho é Proxima Centauri, a estrela mais próxima de nós depois do Sol, tema do projeto Pale Red Dot, e uma estrela típica de baixa massa. Estrelas como Proxima Centauri, ou apenas Proxima, estão entre as menores estrelas, mas também mais comuns, da galáxia. Vamos entender os nossos menores e mais próximos vizinhos estelares um pouco melhor.

Imagine por um momento que deixamos cair um grande prato de cerâmica no chão da cozinha. O prato se quebra em muitos pedaços, de tamanhos diferentes. Em seguida, olhamos para baixo e analisamos o resultado de nosso descuido. Nossa atenção é primeiro atraída para o punhado de grandes fragmentos. Depois de um olhar mais atento, vemos que, para cada um desses grandes fragmentos de cerâmica existem dezenas ou centenas de pedaços muito menores. Além disso, logo percebemos que, se temos alguma esperança de reconstruir o prato original ou descobrir o que aconteceu, não podemos simplesmente ignorar essas partes menores e varrê-las para debaixo do tapete. Este acidente infeliz é uma grosseira analogia com o processo de formação estelar, e esclarece um pouco a forma como a Via Láctea terminou com a população estelar que observamos hoje.

Estrelas são formadas quando nuvens de gás e poeira interestelar, chamadas nuvens moleculares gigantes, são de alguma forma perturbadas – fazendo com que a nuvem comece a entrar em colapso sob seu próprio campo gravitacional. Vários pontos da nuvem em colapso alcançam uma densidade mais elevada, e, por conseguinte, exercem uma maior força gravitacional. Ao longo de centenas de milhares de anos, essas regiões de alta densidade consomem gás suficiente e tornam-se compactas o suficiente para formar embriões estelares ou proto-estrelas. Quando o núcleo da protoestrela se torna quente o suficiente para sustentar a fusão nuclear, uma estrela nasce. De uma forma semelhante ao que acontece com nosso prato quebrado, mas por diferentes razões físicas, o resultado deste mecanismo de colapso da nuvem favorece fortemente a produção de estrelas cujas massas estão entre cerca de 60% a cerca de 8% da massa do Sol. Quando totalmente formadas e contraídas, elas são pequenas estrelas, a maioria com raios entre 20% e 10% do raio do Sol. A menor delas está muito perto em tamanho (mas não em massa ou densidade!) do planeta Júpiter. O que essas pequenas estrelas perdem em termos de tamanho elas compensam em números. Na verdade, das 366 estrelas dentro de 32,6 anos-luz (ou 10 parsecs, no jargão astronômico) de distância de nosso Sistema Solar, 275 pertencem a este tipo. Esses objetos são comumente conhecidos como anãs vermelhas, ou anãs M, no sistema de classificação estelar usado por astrônomos profissionais. Usando a suposição que a nossa vizinhança solar é comum na maior parte da Via Láctea, significa que cerca de 75% das estrelas em nossa galáxia são anãs M. A classe anã M às vezes é subdividida, com estrelas com cerca de 20% ou menos a massa do nosso Sol sendo chamadas Very Low Mass, ou estrelas VLM. Proxima está na gama de massa superior das estrelas VLM.

Uma representação gráfica de todas as estrelas conhecidas dentro de 32,6 anos-luz (10 parsecs) de distância da Terra. Estrelas de cada categoria no sistema de classificação estelar são representadas por círculos preenchidos com tamanhos proporcionais ao tamanho da estrela e cores que se aproximam de suas verdadeiras cores. O Sol, uma estrela do tipo G, é representada por um dos círculos amarelos. As anãs M são subdivididas em dois tons de vermelho e em 3 tamanhos diferentes para representar a diversidade dentro da classe M. Anãs M vastamente superam todos os outros tipos. Os pontos muito pequenos no centro representam restos estelares que esgotaram seu combustível nuclear e são chamadas de anãs brancas. Os 8 planetas do Sistema Solar também são traçados para comparação de tamanho, com Mercúrio e Marte demasiadamente pequenos para serem perceptíveis. A contagem atualizada está disponível em www.recons.org. Cortesia de Todd J. Henry / RECONS.
Uma representação gráfica de todas as estrelas conhecidas dentro de 32,6 anos-luz (10 parsecs) de distância da Terra. Estrelas de cada categoria no sistema de classificação estelar são representadas por círculos preenchidos com tamanhos proporcionais ao tamanho da estrela e cores que se aproximam de suas verdadeiras cores. O Sol, uma estrela do tipo G, é representada por um dos círculos amarelos. As anãs M são subdivididas em dois tons de vermelho e em 3 tamanhos diferentes para representar a diversidade dentro da classe M. Anãs M vastamente superam todos os outros tipos. Os pontos muito pequenos no centro representam restos estelares que esgotaram seu combustível nuclear e são chamadas de anãs brancas. Os 8 planetas do Sistema Solar também são traçados para comparação de tamanho, com Mercúrio e Marte demasiadamente pequenos para serem perceptíveis. A contagem atualizada está disponível em www.recons.org. Cortesia de Todd J. Henry / RECONS.

Como são as anãs vermelhas e como é que a sua produção de energia comparada com o nosso Sol? Estas estrelas são incrivelmente fracas, e nem mesmo Proxima pode ser vista a olho nu, apesar de sua proximidade de apenas 4,25 anos-luz. Para colocar esta distância no contexto, as melhores estimativas para o diâmetro da Via Láctea está entre 100.000 a 180.000 anos-luz; se nossa galáxia fosse uma cidade de 10 km de diâmetro, Proxima estaria tão perto de nós como se batesse à nossa porta! E, no entanto estrelas que são intrinsecamente mais luminosas podem ser vistas a olho nu a partir de distâncias de quase 1/5 do caminho da galáxia. Se uma amostra representativa de todas as anãs vermelhas fosse colocada na mesma distância do nosso Sol, as mais brilhantes brilhariam com cerca de 7% do brilho do Sol. Uma pesquisa recente do nosso grupo indica que a mais fraca das estrelas VLM brilharia com apenas cerca de 0,016% da luminosidade do nosso Sol. Proxima tem uma produção total de energia de cerca de 0,2% da do nosso Sol.

As anãs vermelhas são não só fracas, mas o pouco de luz que elas emitem é também muito diferente do sol quente que desfrutamos em uma praia do Caribe na Terra. A superfície do Sol brilha a uma temperatura de cerca de 5500°C. A essa temperatura, a maior parte da luz é emitida na região amarelo-verde do espectro da luz visível. Assim, faz sentido que o olho humano tenha evoluido para ser mais sensível à luz amarelo-verde que banha mais fortemente nosso planeta. Estrelas de baixa massa têm temperaturas de superfície significativamente mais baixas: cerca de 3500°C nas mais quentes e aproximadamente 1800°C nas estrelas menores do VLM. A estas temperaturas, as estrelas não só emitem consideravelmente menos luz em geral, como a luz emitida também é deslocada para comprimentos de onda mais longos, que nós percebemos como cores avermelhadas. O espectro de cores das anãs vermelhas mais quentes tem seu pico em uma cor vermelha profunda, que está no limite do alcance de detecção do olho humano. As estrelas mais fracas no VLM possuem os picos do espectro de cores na faixa do infravermelho próximo do espectro eletromagnético, bem além das capacidades de detecção do olho humano. Em ambos os casos, o aumento da sensibilidade do olho humano à luz amarelo-verde vai mudar as cores percebidas para comprimentos de onda mais curtos do que o pico de emissão de cor. Um futuro viajante interestelar, que olhar uma anã vermelha quente de perto, provavelmente vai perceber uma cor laranja distinta, enquanto que uma das anãs vermelhas mais frias pode parecer ser um vermelho vivo. Para tornar as estrelas fracas ainda mais incomuns, não há evidências sugerindo que elas possuem campos magnéticos superficiais fortes. Estes campos magnéticos causariam manchas escuras análogas às manchas solares, mas podem ser mais numerosas e maiores – talvez cobrindo uma parte substancial da superfície da estrela.

Concepção artística de uma estrela anã vermelha vista de perto. Pensa-se que as anãs vermelhas mais quentes pode realmente parecer mais laranjas do que vermelhas devido à maior sensibilidade do olho humano para o amarelo claro (a), enquanto que as anãs vermelhas frias provavelmente pareceriam vermelho brilhante. Crédito: Walt Feimer / NASA.
Concepção artística de uma estrela anã vermelha vista de perto. Pensa-se que as anãs vermelhas mais quentes pode realmente parecer mais laranjas do que vermelhas devido à maior sensibilidade do olho humano para o amarelo claro (a), enquanto que as anãs vermelhas frias provavelmente pareceriam vermelho brilhante. Crédito: Walt Feimer / NASA.

Os astrônomos atualmente pensam que até 1/3 das anãs vermelhas podem abrigar planetas rochosos com composições semelhantes à da Terra. A vida poderia evoluir nesses planetas? Como seria a vida em torno de uma anã vermelha? A ideia da vida em evolução em planetas em torno de anãs vermelhas é extremamente excitante. Se não por outro motivo, seus números significam que a questão da habitabilidade de uma anã vermelha tem enormes implicações para determinar se nós vivemos em um universo repleto de vida ou se a vida é uma ocorrência rara. Apesar deste enorme potencial, a noção de vida em sistemas de estrelas de baixa massa não está livre de desafios.

Por causa de sua massa menor e, consequentemente, força gravitacional mais fraca, as anãs vermelhas levam muito tempo para estabelecer sua configuração completamente contraída, uma vez que param a acreção de material de sua da nuvem. Da mesma forma, a taxa relativamente lenta de reações nucleares no núcleo de uma estrela de baixa massa faz com que essas estrelas tenham uma vida extremamente longa comparado com estrelas mais massivas. Sua evolução lenta e vida longa são uma bênção e uma maldição para a possibilidade de vida. Depois de completamente formadas e contraídas, as anãs vermelhas mudam muito pouco durante bilhões de anos. As anãs vermelhas mais antigas podem, portanto, ter proporcionado um ambiente estável para a vida durante o tempo que elas existem, cerca de 10 bilhões de anos com base em estimativas atuais para a idade da galáxia. Compare isso com apenas 4,1 bilhões de anos de evolução biológica na Terra. Mesmo se a evolução de um planeta orbitando uma anã vermelha tenha sido mais lento e chegado em alguns becos sem saída, o resultado final ainda pode significar um ecossistema complexo e diversificado. No entanto, a perspectiva de um período prolongado de estabilidade apropriado para a evolução biológica é apenas emocionante se assumirmos que as condições adequadas para a vida estavam presentes desde o início, e é aí que a vida longa e quase imutável de uma anã vermelha se torna um problema. A água líquida é essencial para a vida como a conhecemos na Terra, e água em estado líquido só pode existir se a temperatura na superfície de um planeta permite. A temperatura de um planeta é regido principalmente pela distância orbital entre o planeta e sua estrela-mãe e a luminosidade intrínseca da estrela. Os astrônomos chamam a faixa de raios orbitais que permitem a existência de água líquida de “zona habitável” de uma estrela. Todas as estrelas são significativamente mais brilhantes durante a sua fase inicial de contração, quando a maior parte da energia da estrela vem de seu colapso gravitacional e não da fusão nuclear. Para anãs vermelhas este período inicial de aumento de luminosidade pode durar até 3 bilhões de anos, o que é muito tempo para a formação de planetas. Qualquer planeta que se forma no que acabará por se tornar a zona habitável da estrela estará sujeito a um calor abrasador durante a sua vida inicial. Os cálculos sugerem que esse jovem ardente pode evaporar toda a água e assim esterilizar eficazmente o planeta. Uma possível maneira de sair deste cenário envolve a retenção de água em minerais chamados condritos. Se condritos estiverem presentes em quantidades suficientes no material rochoso que se funde para formar planetas, os planetas totalmente formados poderiam ter reservas de água substanciais em seus interiores. A água poderia, então, ser liberada do interior do planeta pela atividade vulcânica em momentos posteriores, quando a temperatura da superfície for ideal para manter água líquida. Seja assim ou não, este cenário provável é uma área de pesquisa ativa.

Outro aspecto interessante da ideia de vida em planetas que orbitam anãs vermelhas tem a ver com a proximidade extrema da zona habitável da estrela. Estas estrelas são tão fracas que planetas em suas zonas habitáveis teriam órbitas menores do que a órbita de Mercúrio. Nessas pequenas distâncias a ligeira diferença na força gravitacional da estrela do lado do planeta voltado para a estrela para o lado mais distante do planeta provoca um fenômeno chamado de rotação sincronizada. Num planeta gravitalmente travado com mesmo lado sempre virado para a estrela, faz com que seja muito mais quente do lado que está de frente para a estrela que o lado perpetuamente longe da estrela. O sistema Terra-Lua é um bom exemplo de um satélite gravitalmente travado. As condições de habitabilidade em um planeta gravitalmente travado pode ser confinado a uma estreita região em forma de anel onde o lado iluminado se encontra com o lado escuro do planeta. Esta região habitável estaria em perpétuo crepúsculo, com a estrela brilhando baixo no horizonte. Tais condições de baixa iluminação pode parecer um pouco deprimente para nós seres humanos, mas baixos níveis de luz culminam em comprimentos de onda mais avermelhados, que é a norma em torno de anãs vermelhas, e é bem possível que qualquer forma de vida existente nesses ambientes pode ter evoluído para usar a luz infravermelha da mesma forma que utilizamos a luz amarelo-verde brilhante da nossa estrela-mãe. Talvez se aventurar muito perto do lado iluminado do planeta faria com que essas criaturas tenham “queimaduras estelares” da luz vermelha, da mesma forma como podemos ter queimadura solar da pequena parcela de energia do nosso Sol que é emitida como luz ultravioleta.

Finalmente, uma análise das estrelas de baixa massa não estaria completa sem fazer uma conexão com seus primos de massa inferior, as subestrelas anãs marrons. Voltando à nossa analogia do prato quebrado, o processo de colapso da nuvem que produz estrelas com uma vasta gama de diferentes massas também pode produzir objetos cuja massa é muito pequena para criar as condições necessárias para um núcleo que sustente a fusão nuclear. Estes objetos são chamados anãs marrons. Anãs marrons parecem muito com seus colegas VLM em sua juventude, porque durante a fase da contração gravitacional libera uma grande quantidade de energia. No entanto, as anãs marrons completamente contraídas mantêm-se frias ao longo de bilhões de anos. Para a maior parte da escala de temperaturas e cores das anã vermelhas, é difícil dizer se um determinado objeto é uma anã marrom jovem ou uma estrela VLM de qualquer idade. Uma pesquisa recente indica que a sequência estelar chega ao fim quando atingimos objetos com temperaturas de superfície de cerca de 1800°C e luminosidades de cerca de 1/6.000 à do nosso Sol (interessado nos detalhes técnicos? Leia o artigo aqui). Chegamos a esta conclusão através da realização de observações necessárias para estimar o raio de uma amostra de 63 objetos que podem estar perto do fim da sequência estelar. Em seguida, nota-se que para temperaturas superiores a 1800°C, os objetos cobrem uma ampla gama de raios, incluindo os raios esperados para estrelas velhas e completamente contraídas. Em temperaturas mais frias encontramos raios maiores que só podem ser explicados se os objetos em questão são jovens anãs marrons que ainda não estão totalmente contraídas.

Diagrama de Temperatura-Raio para estrelas VLM. De acordo com a tradição astronômica, o eixo da temperatura é representado com valores decrescentes da esquerda para a direita. A estrela 2MASS J0523-1403 marca a temperatura à qual o raio mínimo é atingido, o que significa que objetos como 2MASS J0523-1403 são antigos e completamente contraídos. Em temperaturas mais frias, apenas objetos maiores estão presentes, indicando que eles são relativamente jovens e são anãs marrons ainda não estão totalmente contraídas. Alguns objetos são marcados como binários não resolvidos, o que significa que vemos a luz de duas estrelas muito próximas e, portanto, o raio calculado é impreciso.
Diagrama de Temperatura-Raio para estrelas VLM. De acordo com a tradição astronômica, o eixo da temperatura é representado com valores decrescentes da esquerda para a direita. A estrela 2MASS J0523-1403 marca a temperatura à qual o raio mínimo é atingido, o que significa que objetos como 2MASS J0523-1403 são antigos e completamente contraídos. Em temperaturas mais frias, apenas objetos maiores estão presentes, indicando que eles são relativamente jovens e são anãs marrons ainda não estão totalmente contraídas. Alguns objetos são marcados como binários não resolvidos, o que significa que vemos a luz de duas estrelas muito próximas e, portanto, o raio calculado é impreciso.

A temperatura que obtivemos para o fim da sequência estelar é substancialmente mais elevada do que o previsto pelos modelos teóricos, e agora estamos tentando identificar as causas dessa discrepância. Como parte desta pesquisa nós encontramos o que acreditamos ser a menor estrela conhecida até hoje e também uma representante das menores estrelas possíveis. Esta estrela é chamada 2MASS J0523-1403, e brilha debilmente na constelação Lepus, sob os pés de Orion. 2MASS J0523-1403 tem um raio de apenas uma pequena porcentagem do raio do nosso Sol. Esse raio faz 2MASS J0523-1403 ser cerca de 15% menor que o planeta Júpiter. O tamanho que calculamos para 2MASS J05234-1403 está dentro de 1% do tamanho do planeta Saturno. Enquanto podemos dizer que estrelas VLM têm tamanhos comparáveis a Júpiter, podemos ir um passo mais longe e dizer que as menores estrelas são do tamanho de Saturno. Ao fazer estas comparações, devemos ter cuidado para não confundir volume e massa. Embora estas estrelas têm o volume de planetas gigantes, sua massa está teoricamente prevista para estar em qualquer lugar entre 70 e 80 vezes a massa de Júpiter, tornando-as extremamente densas. Na verdade, esse é o limite da mecânica quântica na densidade superior que permite com que as anãs marrons parem as contrações antes da fusão nuclear se iniciar.

A menor estrela conhecida, 2MASS J0523-1403, como vista com o telescópio de 0,9m do Cerro Tololo, mostrada usando um esquema de cor que se aproxima a sua verdadeira cor.
A menor estrela conhecida, 2MASS J0523-1403, como vista com o telescópio de 0,9m do Cerro Tololo, mostrada usando um esquema de cor que se aproxima a sua verdadeira cor.

Ao longo das últimas décadas, nosso conhecimento das anãs vermelhas passou de simplesmente saber que elas existem para perceber o quão numerosas são, e, finalmente, sermos capazes de caracterizá-las e avaliar a sua adequação como hospedeiras de planetas habitáveis. Este progresso é em parte devido aos avanços na astronomia observacional, tais como a substituição do filme fotográfico sensível ao azul para detectores CCD digitais sensíveis ao vermelho e detectores de infravermelho. Esses avanços na sensibilidade e gerenciamento de dados foi então utilizado para realizar grandes pesquisas de todo o céu que revelaram uma infinidade de novas anãs vermelhas e deu aos astrônomos a capacidade sem precedentes para estudá-las não apenas como objetos individuais, mas também como uma população. Temos agora uma boa compreensão de como as anãs vermelhas contribuem para a população estelar geral da galáxia e estão ganhando uma maior compreensão de suas promessas e desafios como hospedeiros de planetas habitáveis. A história da astronomia nos ensinou que não podemos prever qual será a próxima descoberta e como ela vai mudar a nossa compreensão das coisas. Poderia muito bem ser que, após estudo aprofundado podemos, percebamos que os cerca de 75% das estrelas na galáxia que chamamos de anãs vermelhas não são adequadas como hospedeiras de planetas habitáveis. Isso por si só nos deixaria saber que a vida no Universo pode ser um pouco mais especial do que se pensava e como somos afortunados por ter um lar no planeta Terra. No caminho oposto, sabemos pela nossa experiência na Terra que a evolução geralmente encontra uma maneira de fazer florescer a vida nos ambientes mais extremos e ímpares. Se os mecanismos de formação de vida forem capazes de superar os desafios que discutimos aqui, além de muitos outros que ainda nem sequer imaginamos, é bem possível que a nossa vizinhança solar esteja repleta de seres de formas inimagináveis prosperando sob o crepúsculo avermelhado de nossas pequenas vizinhas.

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