Nova técnica para medir massa de exoplanetas

Até o momento, os cientistas detectaram a existência de mais de 1.000 exoplanetas em órbita de outras estrelas que não o nosso Sol. Para determinar se estes mundos distantes são habitáveis, precisamos de saber a sua massa - o que pode ajudar os cientistas a discernir se o planeta é feito de gás ou rocha e outros materiais de apoio à vida. Mas as técnicas atuais para estimar a massa exoplanetária são limitadas. A velocidade radial é o principal método usado pelos cientistas: pequenas oscilações na órbita da estrela à medida que é puxada pela força gravitacional do planeta, a partir das quais os cientistas podem derivar a relação de massa entre o planeta e a estrela. Para planetas muito grandes, com o tamanho de Netuno, ou mais pequenos como a Terra orbitando muito próximo de estrelas brilhantes, a velocidade radial funciona relativamente bem. Mas a técnica tem menos sucesso com planetas mais pequenos que orbitam mais longe das suas estrelas, tal como a Terra.

 

Agora, cientistas do Massachusetts Institute of Technology (MIT) desenvolveram uma nova técnica para determinar a massa de exoplanetas, usando apenas o seu sinal de trânsito, diminuições na luz à medida que um planeta passa em frente da sua estrela. Esta informação tem sido tradicionalmente usada para determinar o tamanho de um planeta e suas propriedades atmosféricas, mas a equipe do MIT descobriu uma maneira de interpretá-la de tal forma que também revela a massa do planeta. Além da composição de um planeta, a sua massa pode fornecer um vislumbre da superfície do planeta e da sua atividade interna. A massa afeta tudo a um nível planetário, tal como placas tectônicas, o seu arrefecimento interno e convecção, o modo como gera campos magnéticos, e se o gás escapa da sua atmosfera.

 

Usando grandes telescópios como o Spitzer ou o Hubble, os cientistas foram capazes de analisar o espectro de transmissão de exoplanetas recém-descobertos. Um espectro de transmissão é gerado à medida que um planeta passa em frente da sua estrela, deixando escapar um pouco de luz pela sua atmosfera. Ao analisar os comprimentos de onda de luz que passam pela atmosfera, os cientistas conseguem determinar as propriedades atmosféricas de um planeta, tais como a temperatura e a densidade de moléculas. Da quantidade total de luz bloqueada, podem calcular o tamanho de um planeta.

 

Para determinar a massa de um exoplaneta usando espectroscopia de transmissão foi utilizado o efeito que a massa de um planeta tem na sua atmosfera, pois os espectros de transmissão dão informações sobre as propriedades atmosféricas do planeta. Para tal, trabalhou a partir de uma equação padrão que descreve o efeito da temperatura, força gravitacional e densidade atmosférica de um planeta sobre o seu perfil de pressão atmosférica, o modo como a pressão muda ao longo da sua atmosfera. De acordo com esta equação, sabendo qualquer destes três parâmetros revelaria o quarto parâmetro. Dado que a massa de um planeta pode ser derivada a partir da sua força gravitacional, a massa de um planeta por ser derivada a partir da sua temperatura atmosférica, perfil de pressão e densidade, parâmetros que, em princípio, podem ser obtidos a partir de um espectro de transmissão.

 

Para provar que a temperatura, perfil de pressão e densidade atmosférica de um planeta podem ser derivadas de forma independente a partir de um espectro de transmissão, foi demonstrado que cada parâmetro tem um efeito marcante num espectro de transmissão. Os pesquisadores realizaram novas derivações analíticas a partir dos primeiros princípios de transferência radiativa, e descobriu uma constante matemática do século XVIII, com o nome de constante Euler-Mascheroni, que ajuda a revelar os efeitos individuais de cada parâmetro. Esta constante atua como uma "chave de encriptação" para descodificar o processo pelo qual as propriedades da atmosfera de um planeta são incorporadas no seu espectro de transmissão.

 

Para testar o método foi aplicada a técnica a um exoplaneta recém-descoberto, conhecido como HD 189733 b, localizado a 63 anos-luz de distância. Com os cálculos foi obtida a mesma medição de massa como a realizada por outros usando a velocidade radial. Usando as especificações dos futuros telescópios espaciais de alta resolução, como o Telescópio Espacial James Webb, um instrumento concebido para estudar atmosferas exoplanetárias, os pesquisadores mostraram que a nova técnica será capaz de caracterizar a massa e propriedades atmosféricas de planetas mais pequenos, do tamanho da Terra.

Fonte: Astro News
Science