Estrelas pobres em metais são mais amigas da vida

Cientistas dos Institutos Max Planck para a Investigação do Sistema Solar e para a Química descobriram que estrelas que contêm relativamente grandes quantidades de elementos pesados fornecem condições menos favoráveis para o aparecimento de vida complexa do que estrelas pobres em metais.

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A equipe mostrou como a metalicidade de uma estrela está ligada à capacidade dos seus planetas em se rodearem de uma camada protetora de ozono. Crucial para isto é a intensidade da luz ultravioleta que a estrela emite para o espaço em diferentes comprimentos de onda.

O estudo fornece aos cientistas que procuram sistemas estelares habitáveis, com telescópios espaciais, pistas importantes sobre onde este esforço poderia ser particularmente promissor. Sugere também uma conclusão surpreendente: à medida que o Universo envelhece, torna-se cada vez mais hostil ao aparecimento de vida complexa em novos planetas.

Na procura por planetas habitáveis ou até mesmo habitados, em órbita de estrelas distantes, os investigadores têm-se concentrado cada vez mais, nos últimos anos, nos invólucros de gás destes mundos. Será que os dados observacionais mostram indícios de uma atmosfera? Será que contêm até gases como o oxigénio ou o metano, que na Terra são produzidos quase exclusivamente como produtos metabólicos de formas de vida?

Nos próximos anos, tais observações serão empurradas para novos limites. O Telescópio Espacial James Webb da NASA permitirá não só caracterizar as atmosferas de gigantes gasosos como os super-Neptunos, mas também analisar pela primeira vez os sinais espectrográficos muito mais fracos das atmosferas de planetas rochosos.

Com a ajuda de simulações numéricas, o estudo atual, que foi publicado na revista Nature Communications, voltou-se agora para o conteúdo de ozono das atmosferas exoplanetárias. Tal como na Terra, esta molécula composta por três átomos de oxigénio pode proteger a superfície do planeta (e as formas de vida que nele residem) da radiação ultravioleta (UV) que danifica as células.

Uma camada protetora de ozono é assim um pré-requisito importante para o aparecimento de vida complexa. "Queríamos compreender as propriedades que uma estrela deve ter para que os seus planetas formem uma camada protetora de ozono", Anna Shapiro, cientista do Instituto Max Planck para a Investigação do Sistema Solar e primeira autora do estudo atual, explica a ideia básica.

Como muitas vezes na ciência, esta ideia foi desencadeada por uma descoberta anterior. Há três anos, investigadores liderados pelo Instituto Max Planck para a Investigação do Sistema Solar compararam as variações de luminosidade do Sol com as centenas de estrelas semelhantes ao Sol. O resultado: a intensidade da luz visível de muitas destas estrelas flutua muito mais fortemente do que no caso do Sol.

"Vimos enormes picos de intensidade", diz o Dr. Alexander Shapiro, que esteve envolvido tanto nas análises de há três anos atrás como no estudo atual. "É, portanto, bem possível que o Sol também seja capaz de tais picos de intensidade". Nesse caso, também a intensidade da luz ultravioleta aumentaria drasticamente", acrescenta. "Por isso, naturalmente, perguntámo-nos o que isto significaria para a vida na Terra e como é a situação noutros sistemas estelares", diz Sami Solanki, diretor do Instituto Max Planck para a Investigação do Sistema Solar e coautor de ambos os estudos.

O papel duplo da radiação UV

À superfície de cerca de metade de todas as estrelas em torno das quais foi demonstrado que os exoplanetas orbitam, as temperaturas variam entre cerca de 5000 e cerca de 6000 graus Celsius. Nos seus cálculos, os investigadores voltaram-se, portanto, para este subgrupo. Com uma temperatura de superfície de aproximadamente 5500º C, o Sol é também uma delas.

"Na química atmosférica da Terra, a radiação ultravioleta do Sol desempenha um papel duplo", explica a Dra. Anna Shapiro, cuja investigação passada se centrou na influência da radiação solar na atmosfera da Terra. Nas reações com átomos individuais de oxigénio e moléculas de oxigénio, o ozono pode tanto ser criado como destruído. Enquanto a radiação UVB destrói o ozono, a radiação UVC ajuda a criar ozono protetor na atmosfera média.

“Era, portanto, razoável assumir que a luz ultravioleta pode ter uma influência igualmente complexa nas atmosferas dos exoplanetas", acrescenta a astrónoma. Os comprimentos de onda precisos são cruciais.

Os investigadores calcularam assim exatamente quais os comprimentos de onda que compõem a luz ultravioleta emitida pelas estrelas. Pela primeira vez, consideraram também a influência da metalicidade. Esta propriedade descreve a proporção entre o hidrogénio e os elementos mais pesados (simplista e de certa forma enganadoramente chamados "metais" pelos astrofísicos) no material de construção da estrela. No caso do Sol, existem mais de 31.000 átomos de hidrogénio por cada átomo de ferro. O estudo também considerou estrelas com menor e maior teor de ferro.

Interações simuladas da radiação UV com gases

Numa segunda fase, a equipe investigou como a radiação UV calculada afetaria as atmosferas dos planetas em órbita destas estrelas e a uma distância amiga da vida. As distâncias favoráveis à vida são aquelas que permitem temperaturas moderadas - nem demasiado quentes nem demasiado frias para a existência de água líquida - à superfície do planeta. Para tais mundos, a equipe simulou no computador exatamente que processos a luz UV, característica da estrela-mãe, põe em andamento na atmosfera do planeta.

Para calcular a composição das atmosferas planetárias os investigadores utilizaram um modelo químico-climático que simula os processos que controlam o oxigénio, o ozono e muitos outros gases e as suas interações com a luz ultravioleta das estrelas, com uma resolução espectral muito alta.

Este modelo permitiu a investigação de uma grande variedade de condições em exoplanetas e a comparação com a história da atmosfera terrestre nos últimos quinhentos milhões de anos. Durante este período, foram estabelecidos o elevado teor de oxigénio atmosférico e a camada de ozono, que permitiram a evolução da vida em terra. "É viável que a história da Terra e da sua atmosfera contenha pistas sobre a evolução da vida que podem também aplicar-se aos exoplanetas", disse Jos Lelieveld, Diretor Geral do Instituto Max Planck para a Química, que esteve envolvido neste estudo.

Candidatos promissores

Os resultados das simulações foram surpreendentes para os cientistas. No geral, as estrelas pobres em metais emitem mais radiação UV do que as suas homólogas ricas em metais. Mas o rácio entre a radiação UVC, gerada de ozono, e a radiação UVB, destruidora de ozono, também depende criticamente da metalicidade: nas estrelas pobres em metais, a radiação UVC predomina, permitindo a formação de uma camada densa de ozono.

Para estrelas ricas em metais, com a sua radiação UVB predominante, este invólucro protetor é muito mais esparso. "Ao contrário das expetativas, as estrelas pobres em metais devem assim proporcionar condições mais favoráveis ao aparecimento da vida", conclui Anna Shapiro.

Esta descoberta poderá ser útil para futuras missões espaciais, tais como a missão PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars) da ESA, que irá examinar uma vasta gama de estrelas em busca de sinais de exoplanetas habitáveis. Com 26 telescópios a bordo, a sonda será lançada para o espaço em 2026 e concentrará a sua atenção principalmente em planetas semelhantes à Terra que orbitam estrelas semelhantes ao Sol a distâncias favoráveis à vida.

O centro de dados da missão está atualmente a ser criado no Instituto Max Planck para a Investigação do Sistema Solar. "O nosso estudo atual dá-nos pistas valiosas sobre quais as estrelas a que sonda Plato deve prestar especial atenção", diz Laurent Gizon, Diretor Geral do Instituto e coautor do estudo atual.

Conclusão paradoxal

Além disso, o estudo permite uma conclusão quase paradoxal: à medida que o Universo envelhece, é provável que se torne cada vez mais hostil à vida. Os metais e outros elementos pesados são formados dentro das estrelas no final da sua vida de vários milhares de milhões de anos e - dependendo da massa da estrela - são libertados para o espaço como vento estelar ou numa explosão de supernova: o material de construção da próxima geração de estrelas.

"Cada estrela recém-formada tem, portanto, mais material de construção rico em metais do que as suas antecessoras. As estrelas no Universo estão a tornar-se mais ricas em metais com cada geração", diz Anna Shapiro. De acordo com o novo estudo, a probabilidade de os sistemas estelares produzirem vida também diminui à medida que o Universo envelhece.

No entanto, a procura por vida não é impossível. Afinal de contas, muitas estrelas hospedeiras de exoplanetas têm uma idade semelhante à do Sol. E esta estrela é, de facto, conhecida por abrigar formas de vida complexas e interessantes em pelo menos um dos seus planetas.

Fonte: mpg.de