Estudo: Astrônomos arriscam interpretar mal sinais planetários em dados de James Webb

 Crédito: DOMÍNIO PÚBLICO CC0

O Telescópio Espacial James Webb da NASA está revelando o universo com uma clareza espetacular e sem precedentes. A visão infravermelha ultrasharp do observatório cortou a poeira cósmica para iluminar algumas das primeiras estruturas do universo, juntamente com viveiros estelares anteriormente obscurecidos e galáxias giratórias que estão a centenas de milhões de anos-luz de distância.

Além de ver mais longe no universo do que nunca, Webb capturará a visão mais abrangente dos objetos em nossa própria galáxia — ou seja, alguns dos 5.000 planetas que foram descobertos na Via Láctea. Os astrônomos estão aproveitando a precisão de análise de luz do telescópio para decodificar as atmosferas ao redor de alguns desses mundos próximos. As propriedades de suas atmosferas poderiam dar pistas de como um planeta se formou e se ele abriga sinais de vida.

Mas um novo estudo do MIT sugere que as ferramentas que os astrônomos normalmente usam para decodificar sinais baseados em luz podem não ser boas o suficiente para interpretar com precisão os dados do novo telescópio. Especificamente, modelos de opacidade, as ferramentas que modelam como a luz interage com a matéria em função das propriedades da matéria, podem precisar de retuning significativo para combinar com a precisão dos dados de Webb, dizem os pesquisadores.

Se esses modelos não forem refinados? Os pesquisadores prevêem que propriedades de atmosferas planetárias, como sua temperatura, pressão e composição elementar, poderiam estar desligadas por uma ordem de magnitude.

"Há uma diferença cientificamente significativa entre um composto como a água estar presente em 5% versus 25%, que os modelos atuais não podem diferenciar", diz o co-líder do estudo Julien de Wit, professor assistente do Departamento de Ciências Da Terra, Atmosférica e Planetária (EAPS) do MIT.

"Atualmente, o modelo que usamos para descriptografar informações espectrais não está à altura da precisão e qualidade dos dados que temos do telescópio James Webb", acrescenta o estudante de pós-graduação da EAPS Prajwal Niraula. "Precisamos melhorar nosso jogo e resolver juntos o problema da opacidade."

De Wit, Niraula e seus colegas publicaram seu estudo na Nature Astronomy. Os coautores incluem os especialistas em espectroscopia Iouli Gordon, Robert Hargreaves, Clara Sousa-Silva e Roman Kochanov do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica.

Nivelando

Opacidade é uma medida de quão facilmente fótons passam por um material. Fótons de certos comprimentos de onda podem passar diretamente através de um material, ser absorvidos ou ser refletidos de volta dependendo se e como eles interagem com certas moléculas dentro de um material. Essa interação também depende da temperatura e pressão de um material.

Um modelo de opacidade funciona com base em vários pressupostos de como a luz interage com a matéria. Os astrônomos usam modelos de opacidade para derivar certas propriedades de um material, dado o espectro de luz que o material emite. No contexto de exoplanetas, um modelo de opacidade pode decodificar o tipo e a abundância de produtos químicos na atmosfera de um planeta, com base na luz do planeta que um telescópio captura. 

De Wit diz que o modelo atual de opacidade de última geração, que ele compara a uma ferramenta de tradução de linguagem clássica, fez um trabalho decente de decodificação de dados espectrais tomados por instrumentos como os do Telescópio Espacial Hubble.

"Até agora, essa Pedra de Rosetta está indo bem", diz De Wit. "Mas agora que estamos indo para o próximo nível com a precisão de Webb, nosso processo de tradução nos impedirá de pegar sutilezas importantes, como aquelas que fazem a diferença entre um planeta ser habitável ou não."

Leve, perturbada

Ele e seus colegas fazem esse ponto em seu estudo, no qual colocam à prova o modelo de opacidade mais usado. A equipe procurou ver quais propriedades atmosféricas o modelo derivaria se fosse ajustado para assumir certas limitações em nossa compreensão de como a luz e a matéria interagem. Os pesquisadores criaram oito modelos "perturbados". Eles então alimentaram cada modelo, incluindo a versão real, "espectros sintéticos" — padrões de luz que foram simulados pelo grupo e semelhantes à precisão que o telescópio James Webb veria.

Eles descobriram que, com base nos mesmos espectros de luz, cada modelo perturbado produziu previsões abrangentes para as propriedades da atmosfera de um planeta. Com base em sua análise, a equipe conclui que, se os modelos de opacidade existentes forem aplicados a espectros leves levados pelo telescópio Webb, eles atingirão uma "parede de precisão". Ou seja, eles não serão sensíveis o suficiente para dizer se um planeta tem uma temperatura atmosférica de 300 Kelvin ou 600 Kelvin, ou se um certo gás ocupa 5% ou 25% de uma camada atmosférica.

"Essa diferença importa para restringirmos mecanismos de formação planetária e identificarmos de forma confiável as bioassinaturas", diz Niraula.

A equipe também descobriu que cada modelo também produzia um "bom ajuste" com os dados, ou seja, embora um modelo perturbado produzisse uma composição química que os pesquisadores sabiam estar incorreta, também gerava um espectro leve daquela composição química que estava perto o suficiente, ou "encaixado" com o espectro original.

"Descobrimos que há parâmetros suficientes para ajustar, mesmo com um modelo errado, para ainda ter um bom ajuste, o que significa que você não saberia que seu modelo está errado e o que ele está dizendo é errado", explica De Wit.

Ele e seus colegas levantam algumas ideias de como melhorar os modelos de opacidade existentes, incluindo a necessidade de mais medições laboratoriais e cálculos teóricos para refinar as suposições dos modelos de como a luz e várias moléculas interagem, bem como colaborações entre disciplinas e, em particular, entre astronomia e espectroscopia.

"Há tanta coisa que poderia ser feita se soubéssemos perfeitamente como a luz e a matéria interagem", diz Niraula. "Sabemos disso o suficiente em torno das condições da Terra, mas assim que nos mudamos para diferentes tipos de atmosferas, as coisas mudam, e isso é um monte de dados, com qualidade crescente, que corremos o risco de interpretar mal."

Fonte: phys.org