Uma nova visão dos exoplanetas com o futuro telescópio Webb

Esta ilustração mostra um exoplaneta em órbita da sua estrela muito mais brilhante. O Webb vai permitir com que os cientistas observem exoploanetas em comprimentos de onda infravermelhos nunca antes estudados. Crédito: NASA, ESA e G. Bacon (STScI) 

Embora conheçamos atualmente milhares de exoplanetas - planetas em torno de outras estrelas -, a grande maioria do nosso conhecimento é indireto. Ou seja, os cientistas não tiraram ainda muitas fotos dos exoplanetas e, devido aos limites da tecnologia atual, só podemos ver esses mundos como pontos de luz. No entanto, o número de exoplanetas observados indiretamente está a crescer com o tempo. Quando o Telescópio Espacial James Webb da NASA for lançado em 2021, abrirá uma nova janela para esses exoplanetas, vendo-os em comprimentos de onda nunca antes observados e obtendo novas informações sobre a sua natureza.

Os exoplanetas estão próximos de estrelas comparativamente muito mais brilhantes, de modo que a sua luz é geralmente dominada pela luz das estrelas hospedeiras. Os astrónomos costumam encontrar um exoplaneta inferindo a sua presença com base no escurecimento da luz da estrela-mãe quando o planeta passa à sua frente - um evento chamado de "trânsito". Às vezes, um planeta puxa a estrela, fazendo a estrela balançar levemente.

Em alguns casos, os cientistas capturaram fotos de exoplanetas usando instrumentos chamados coronógrafos. Estes dispositivos bloqueiam o brilho da estrela da mesma maneira que podemos usar a nossa mão para bloquear a luz do Sol. No entanto, encontrar exoplanetas com esta técnica provou ser muito difícil. Tudo isto vai mudar com a sensibilidade do Webb. Os seus coronógrafos a bordo permitirão com que os cientistas observem exoplanetas em comprimentos de onda infravermelhos nunca antes tentados para este tipo de objeto astronómico.

As capacidades únicas do Webb

Os coronógrafos têm algo importante em comum com os eclipses. Durante um eclipse, a Lua bloqueia a luz do Sol, permitindo-nos ver estrelas que normalmente seriam ofuscadas pelo brilho da nossa. Os astrónomos aproveitaram este facto durante o eclipse de 1919, fez dia 29 de maio 100 anos, a fim de testar a teoria da relatividade geral de Albert Einstein. Da mesma forma, um coronógrafo age como um "eclipse artificial" para bloquear a luz de uma estrela, permitindo ver planetas que de outra forma ficariam perdidos no brilho estelar.

Um dos alvos que o James Webb vai estudar é o bem conhecido e gigante anel de poeira e planetesimais em torno de uma jovem estrela chamada HR 4796A. Esta fotografia pelo Telescópio Espacial Hubble mostra uma vasta e complexa estrutura de poeira que envolve a estrela HR 4796A (a luz de HR 4796A e a luz da sua companheira estelar, HR 4796B, foram bloqueadas para revelar a estrutura de poeira muito mais ténue). Um anel interno de poeira, estreito e brilhante, que rodeia a estrela, pode ter sido encurralado pela atração gravitacional de um planeta gigante invisível.Crédito: NASA, ESA e G. Schneider (Universidade do Arizona)

"A maioria dos planetas que detetámos até agora são aproximadamente 10.000 a 1 milhão de vezes mais fracos do que a sua estrela-mãe," explicou Sasha Hinkley da Universidade de Exeter. Hinkley é o investigador principal de um dos primeiros programas de observação do Webb para estudar exoplanetas e sistemas exoplanetários.

"Há, sem dúvida, uma população de planetas que são ainda mais fracos, que têm maiores rácios de contraste e que estão, possivelmente, mais afastados das suas estrelas," comentou Hinkley. "Com o Webb, podemos ver planetas que são 10 milhões, ou otimisticamente, 100 milhões de vezes mais fracos." Para observar os seus alvos, a equipa vai usar imagiologia de alto contraste, que distingue essa grande diferença de brilho entre o planeta e a estrela.

O Webb terá a capacidade de observar os seus alvos no infravermelho médio, que é invisível ao olho humano, mas com sensibilidade muito superior a qualquer outro observatório já construído. Isto significa que o Webb será sensível a uma classe de planetas ainda não detetada. Especificamente, podem estar ao alcance do Webb planetas semelhantes a Saturno em grandes separações orbitais das suas estrelas hospedeiras.

"O nosso programa está a olhar para planetas jovens e recém-formados e para os sistemas que habitam," explicou a coinvestigadora principal Beth Biller, da Universidade de Edimburgo. "O Webb vai permitir fazer isto com muito mais detalhe e em comprimentos de onda que nunca explorámos antes. Por isso, será vital entender como estes objetos se formam e como são estes sistemas."

Testando as águas

As observações da equipa farão parte do programa Científico Discricionário Inicial do Diretor, que fornece tempo para projetos selecionados no início da missão do telescópio. Este programa permite que a comunidade astronómica aprenda rapidamente a melhor maneira de usar as capacidades do Webb, ao mesmo tempo que produz ciência robusta.

"Com o nosso programa, estaremos realmente a 'testar as águas' para entender como o Webb se comporta," disse Hinkley. "Precisamos realmente da melhor compreensão dos instrumentos, da estabilidade, da maneira mais eficaz de pós-processar os dados. As nossas observações vão informar a comunidade da maneira mais eficiente de usar o Webb."

Os alvos

A equipe de Hinkley vai usar todos os quatro instrumentos do Webb para observar três alvos: um exoplaneta descoberto recentemente; um objeto que é ou um exoplaneta ou uma anã castanha; e um anel bem estudado de poeira e planetesimais em órbita de uma jovem estrela.

Exoplaneta HIP 65426b: este exoplaneta recém-descoberto e fotografado diretamente tem uma massa entre seis e 12 vezes a de Júpiter e está em órbita de uma estrela que é mais quente e que tem o dobro da massa do nosso Sol. O exoplaneta está aproximadamente 92 vezes mais distante da sua estrela do que a Terra está do Sol. A grande separação entre este jovem planeta e a sua estrela hospedeira significa que as observações da equipa serão muito menos afetadas pelo brilho estelar. Hinkley e a sua equipa planeiam usar o conjunto completo de coronógrafos do Webb para visualizar este alvo.

Companheiro de massa planetária VHS 1256b: um objeto algures entre o limite planeta/anã castanha, VHS 1256b também está a uma grande distância da sua anã vermelha hospedeira - cerca de 100 vezes a distância a que a Terra está do Sol. Dada a sua grande separação, as observações deste objeto serão provavelmente muito menos afetadas pela luz indesejada da estrela. Além de imagens de alto contraste, a equipa espera obter um dos primeiros espectros "não corrompidos" de um corpo semelhante a um planeta em comprimentos de onda onde estes objetos nunca antes foram estudados.

Disco circum-estelar de detritos: há mais de 20 anos que os cientistas estudam um anel de poeira e planetesimais em órbita de uma jovem estrela chamada HR 4796A, que tem cerca de duas vezes a massa do nosso próprio Sol. Os astrónomos pensam que a maioria dos sistemas planetários, inicialmente, provavelmente pareciam-se muito com HR 4796A e com o seu anel de detritos, tornando este um alvo particularmente interessante de estudar. A equipa usará imagiologia de alto contraste dos coronógrafos do Webb para ver o disco em diferentes comprimentos de onda. O seu objetivo é ver se as estruturas do disco parecem diferentes de comprimento de onda para comprimento de onda.

Planeando o programa

Para planear este programa Científico Inicial, Hinkley perguntou ao maior número possível de membros da comunidade científica a simples pergunta: se quiser planear um levantamento para procurar exoplanetas, quais são as perguntas para as quais precisa de respostas?

"O que nós desenvolvemos foi um conjunto de observações que pensamos vai responder a essas perguntas. Vamos dizer à comunidade que é assim que o Webb funciona neste modo, que é este o tipo de sensibilidade que temos, que é este o tipo de contraste que alcançamos. E precisamos rapidamente de informar a comunidade para que os astrónomos possam preparar, de maneira igualmente rápida, as suas propostas."

A equipa está ansiosa por ver os seus alvos em comprimentos de onda nunca antes observados, e para partilhar os seus conhecimentos. De acordo com Biller, "já tínhamos noção, há anos, que para alguns dos planetas descobertos, o Webb seria realmente transformador."

O Telescópio Espacial James Webb será o principal observatório de ciências espaciais do mundo quando for lançado em 2021. O Webb resolverá mistérios no nosso Sistema Solar, olhará mais além para mundos distantes em redor de outras estrelas e investigará as misteriosas estruturas e origens do nosso Universo e o nosso lugar nele. O Webb é um programa internacional liderado pela NASA com os seus parceiros, a ESA e a Agência Espacial Canadiana.

Fonte: Astronomia OnLine