JWST vai procurar atmosferas em exoplanetas potencialmente habitáveis

Esta impressão de artista mostra o sete exoplanetas rochosos do sistema TRAPPIST-1, localizado a 40 anos-luz da Terra. Os astrónomos vão observar estes mundos com o Webb num esforço de detetar a primeira atmosfera num planeta do tamanho da Terra para lá do nosso Sistema Solar.Crédito: NASA e JPL/Caltech

Este mês marca o terceiro aniversário da descoberta de um sistema notável com sete planetas conhecido como TRAPPIST-1. Estes sete mundos rochosos do tamanho da Terra orbitam uma estrela fria a 39 anos-luz do Sistema Solar. Três desses planetas estão na zona habitável, o que significa que estão à distância orbital ideal para serem quentes o suficiente para que a água líquida exista à superfície. Após o seu lançamento em 2021, o Telescópio Espacial James Webb da NASA irá observar esses mundos com o objetivo de fazer o primeiro estudo detalhado no infravermelho próximo da atmosfera de um planeta na zona habitável. 

Para encontrar sinais de uma atmosfera, os astrónomos vão usar uma técnica chamada espectroscopia de transmissão. Observam a estrela hospedeira enquanto o planeta cruza a sua face, um evento conhecido como trânsito. A luz da estrela é filtrada pela atmosfera do planeta, que absorve parte desta luz e deixa impressões digitais reveladores no espectro da estrela.

Encontrar uma atmosfera em torno de um exoplaneta rochoso - a palavra que os cientistas usam para planetas para lá do nosso Sistema Solar - não será fácil. As suas atmosferas são mais compactas do que as dos gigantes gasosos, enquanto o seu tamanho menor significa que intercetam menos luz estelar. TRAPPIST-1 é um dos melhores alvos disponíveis para o Webb, já que a própria estrela também é bastante pequena, o que significa que o tamanho dos planetas, em relação à estrela, é maior.

"As atmosferas são mais difíceis de detetar, mas a recompensa é maior. Seria muito emocionante fazer a primeira deteção de uma atmosfera num planeta do tamanho da Terra," disse David Lafrenière da Universidade de Montreal, investigador principal de uma das equipas que examinam TRAPPIST-1.

Estrelas anãs vermelhas como TRAPPIST-1 tendem a ter surtos violentos que podem tornar os seus planetas inóspitos. Mas determinar se têm atmosferas e, em caso afirmativo, do que são feitos, é o próximo passo para descobrir se a vida como a conhecemos poderia sobreviver nestes mundos distantes.

Um esforço coordenado

Mais de uma equipa de astrónomos vai estudar o sistema TRAPPIST-1 com o Webb. Planeiam usar uma variedade de instrumentos e modos de observação para obter o máximo de detalhes possíveis para cada planeta no sistema.

"É um esforço coordenado porque nenhuma equipa pode fazer tudo o que queremos com o sistema TRAPPIST-1. O nível de cooperação tem sido realmente espetacular," explicou Nikole Lewis da Universidade de Cornell, a investigadora principal de uma das equipas.

"Com sete planetas para escolher, cada um de nós pode 'comer um pedaço do bolo'," acrescentou Lafrenière.

O programa de Lafrenière terá como alvo TRAPPIST-1d e -1f, num esforço de não apenas detetar uma atmosfera, mas determinar a sua composição básica. Eles esperam ser capazes de distinguir entre uma atmosfera dominada por vapor de água, ou uma composta principalmente de azoto (como a Terra) ou dióxido de carbono (como Marte e Vénus).

O programa de Lewis vai observar TRAPPIST-1e com objetivos semelhantes. TRAPPIST-1e é um dos exoplanetas que mais tem em comum com a Terra em termos de densidade e quantidade de radiação que recebe da sua estrela. Isto torna-o um ótimo candidato à habitabilidade - mas os cientistas precisam de saber mais para ter a certeza.

Uma ampla variedade de planetas

Embora os planetas de TRAPPIST-1 tenham apelo particular do ponto de vista de potencial habitabilidade, o programa de Lafrenière terá como alvo uma variedade de planetas - desde rochosos a mini-Neptunos a gigantes de gás do tamanho de Júpiter - a uma variedade de distâncias das suas estrelas. O objetivo é aprender mais sobre como e onde estes planetas se formam.

Em particular, os astrónomos continuam a debater como os planetas gasosos podem ser encontrados tão perto das suas estrelas. Muitos acreditam que este planeta deve ter-se formado mais longe no disco protoplanetário - o disco em torno de uma estrela onde nascem os planetas -, pois o material está disponível longe da estrela e depois migrou para dentro. No entanto, outros cientistas teorizam que até mesmo os grandes gigantes gasosos podem formar-se relativamente perto da sua estrela.

"Além disso, talvez se tenham formado mais longe, mas quanto mais longe?", perguntou Lewis.

Para ajudar a informar o debate, os astrónomos vão analisar a proporção de carbono e oxigénio numa variedade de exoplanetas. Esta proporção pode servir como um marcador de onde o planeta se formou, porque varia com a distância da estrela.

Mapas meteorológicos

Além de examinar planetas usando espectroscopia de transmissão, as equipas vão também empregar uma técnica conhecida como curva de fase. Isto envolve a observação de um planeta ao longo de uma órbita inteira, o que só é prático para os mundos mais quentes com os períodos orbitais mais curtos.

Um planeta que orbita a sua estrela muito perto sofre bloqueio de maré, o que significa que mostra sempre a mesma face para a estrela, como a Lua faz com a Terra. Como resultado, observadores distantes que observam o planeta vão vê-lo passar por várias fases, uma vez que lados diferentes do planeta são visíveis a diferentes pontos da sua órbita.

Medindo o planeta em vários momentos, os astrónomos podem construir um mapa da temperatura atmosférica em função da longitude. Esta técnica foi pioneira no Telescópio Espacial Spitzer, que fez o primeiro "mapa meteorológico" de um exoplaneta em 2007.

Além disso, observando a emissão de calor do próprio planeta, os astrónomos podem modelar a estrutura vertical da atmosfera.

"Com uma curva de fase, podemos construir um modelo 3D completo da atmosfera de um planeta," explicou Lafrenière.

Este trabalho está a ser realizado como parte do programa GTO (Guaranteed Time Observations) do Webb. Este programa foi desenvolvido para recompensar cientistas que ajudaram a desenvolver os principais componentes de hardware e software ou o conhecimento técnico e interdisciplinar do observatório.

O Telescópio Espacial James Webb será o principal observatório científico espacial do mundo quando for lançado em 2021. Vai resolver mistérios do nosso Sistema Solar, olhar para mundos distantes em torno de outras estrelas e investigar as misteriosas estruturas e origens do nosso Universo e o nosso lugar nele. O Webb é um projeto internacional liderado pela NASA e pelos seus parceiros, a ESA e a Agência Espacial Canadiana.

Fonte: Astronomia OnLine