Por que nosso conhecimento sobre exoplanetas explodiu nas últimas três décadas?

O exoplaneta K2-18b, uma Super-Terra capaz tanto de água quanto de temperaturas que poderiam sustentar a vida. Crédito da imagem: ESA/Hubble, M. Kornmesser

Os exoplanetas há muito ocupam os pensamentos dos cientistas e sonhadores. Desde que a humanidade descobriu que as estrelas no céu noturno eram corpos semelhantes ao nosso próprio sol, imaginamos e especulamos sobre os mundos que poderiam orbitar essas estrelas. 

Esses exoplanetas seriam corpos rochosos terrestres semelhantes à Terra? Eles poderiam possuir água líquida? A presença desse elemento vital de sustentação da vida em outros mundos poderia significar que não estamos sozinhos no Universo?

"Por milênios, os humanos têm se perguntado se estamos sozinhos. E ligados a essa pergunta existem outros planetas em qualquer outro lugar?" Disse Nikku Madhusudhan, professor de astrofísica e ciência exoplanetária do Instituto de Astronomia da Universidade de Cambridge. "Então, é muito fundamental para ser humano perguntar se existem planetas em outros lugares." 

Com isso considerado, é quase chocante ponderar que, antes da década de 1990, os astrônomos nem tinham certeza de que estrelas fora do sistema solar possuíam seus próprios planetas.

Não havia nenhuma evidência que sugerisse que planetas extra-solares, ou exoplanetas para abreviar, não existiam, nem havia indícios de que o sistema solar fosse de alguma forma único na Via Láctea. Mas até o final do século 20, os astrônomos ficaram frustrados com a falta de evidências diretas de mundos além da influência de nossa estrela.

Isso ocorre porque os exoplanetas são notoriamente difíceis de detectar, de acordo com a Universidade do Colorado Boulder. Historicamente, os métodos de detecção de exoplanetas mais bem-sucedidos funcionaram inferindo o pequeno efeito que os planetas têm em suas estrelas-mãe, como pequenas quedas na luz ou a "oscilação" quase imperceptível que causam no movimento de sua estrela.

Uma ilustração do primeiro exoplaneta descoberto orbitando uma estrela parecida com o Sol - 51 Pegasi b. Crédito da imagem: ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger

"Até 30 anos atrás, não sabíamos de nenhum planeta fora do sistema solar, tudo o que sabíamos, eram os planetas do nosso sistema solar", disse Madhusudhan, "Mas, assim que os exoplanetas foram descobertos, isso abriu uma nova janela, para o Universo e seus outros sistemas planetários."

Desde então, tecnologias aprimoradas e técnicas de detecção astutas resultaram em um catálogo de exoplanetas abaulado, contendo mais de 4.800 mundos distantes.

“O primeiro grande marco no estudo de exoplanetas foi a percepção de quão comuns os exoplanetas são”, disse Madhusudhan, que desenvolveu uma técnica de recuperação atmosférica para inferir as composições dos exoplanetas. “Mas também, que esses exoplanetas são extremamente diversos. Os exoplanetas provém em todos os tipos de massas, tamanhos e temperaturas."

Quando se trata da categorização desses objetos, o viés do sistema solar da humanidade é evidente. Isso significa que mundos fora do sistema solar são rotulados como "Super-Terras, Júpiteres quentes e sub-Netunos", mas esses planetas podem ser radicalmente diferentes daqueles do nosso sistema planetário, o que significa que eles podem ter uma surpreendente variedade de formas.

Se a descoberta de milhares de exoplanetas mostrou alguma coisa, é que nosso sistema solar é tranquilizador e quase exclusivamente mundano. 

PRIMEIRA DESCOBERTA DE EXOPLANETAS

O primeiro exoplaneta descoberto fora do sistema solar foi um exemplo de um objeto visivelmente ausente do sistema solar. Foi descoberto por Aleksander Wolszczan e Dale Frail em janeiro de 1992. A dupla descobriu o exoplaneta rochoso orbitando um binário PSR B1620−2 6, consistindo de uma anã branca e um pulsar localizado a mais de 12.000 anos-luz de distância.

No ano seguinte, um segundo planeta foi descoberto no mesmo sistema, também um mundo terrestre. Esses planetas, os dois planetas mais externos do sistema, receberam os nomes de Poltergeist e Phobetor, e representaram os primeiros exemplos das chamadas "super-Terras"

Uma ilustração do pulsar binário PSR B1257+12 que hospeda os primeiros exoplanetas já descobertos. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

Essas Super-Terras são planetas definidos por suas massas, que são maiores que a massa do nosso planeta, mas ainda menores que as dos gigantes de gelo do sistema solar, Urano e Netuno. O limite superior para a massa de uma Super-Terra é geralmente considerado dez vezes maior que a do nosso planeta.

Você não deve se enganar pensando que as Super-Terras têm outras semelhanças com o nosso planeta. O termo não diz nada sobre as condições da superfície ou habitabilidade de um exoplaneta.

Como um exemplo impressionante disso, os pesquisadores rapidamente determinaram que nem Poltergeist nem Phobetor poderiam suportar a vida enquanto estavam sendo atingidos pela forte radiação do pulsar que orbitavam.

A busca por um planeta em torno de uma estrela semelhante ao Sol deu certo em 1995, quando Michel Mayor, professor do Observatório da Faculdade de Ciências da Universidade de Genebra (UNIGE), na Suíça, e seu então doutorando Didier Queloz descobriram 51 Pegasi b, ou Dimidium, um planeta em órbita em torno de uma estrela que se assemelhava ao nosso sol. Em outubro de 2019, o Comitê do Nobel concedeu o Prêmio Nobel de Física à dupla pela descoberta do planeta.

Embora a estrela que orbita, 51 Pegasi, seja semelhante ao Sol, isso não significa que seu sistema planetário se pareça com o sistema solar. Esta descoberta marcou a primeira detecção de um "Júpiter quente" - um planeta com o tamanho e a composição do gigante gasoso do sistema solar, mas localizado perto de sua estrela-mãe.

“Esses planetas estão a uma distância orbital mais próxima do que Mercúrio do Sol”, disse Romain Allart, pós-doutorando Trottier na Universidade de Montreal, Canadá, e membro da equipe do Instituto de Pesquisa em Exoplanetas. "Isso significa que os Júpiteres quentes completam suas órbitas em apenas alguns dias e, em sua localização próxima às estrelas hospedeiras, são altamente irradiados com temperaturas de 2.000K ou mais."

51 Pegasi b não foi apenas uma dica inicial para os astrônomos de que o Universo é um lugar mais selvagem e variado, quando se trata de planetas do que eles poderiam ter suspeitado anteriormente, mas os Júpiteres quentes também se tornariam os pilares do catálogo de exoplanetas.

“Os Júpiteres quentes não são tão comuns no Universo, mas devido a vieses instrumentais, são extremamente comuns no atual catálogo de exoplanetas”, explica Allart, que fez parte da equipe que investigou o Júpiter quente WASP-76b. “Por serem próximos, grandes e maciços, as técnicas de velocidade radial e trânsito são eficientes para detectar Júpiteres quentes e essas duas técnicas descobriram quase todos os exoplanetas até agora!”

O WASP-76b tem uma temperatura tão alta que o ferro é vaporizado, chovendo no lado mais frio do planeta. Crédito da imagem: ESO

Em termos de populações de exoplanetas, Madhusudhan diz que sub-Netunos, que são planetas com um raio menor que Netuno, mas uma massa maior, ou um com uma massa menor que Netuno, mas um raio maior, parecem dominar a Via Láctea.

“A percepção de que pequenos planetas que são extremamente comuns em outros lugares é outro marco importante”, acrescenta Madhusudhan.

Um marco na pesquisa de exoplanetas que está em andamento e se desenvolverá exponencialmente no futuro, diz o astrofísico, é a investigação das atmosferas desses planetas mais diminutos e a busca por água.

NEM MUITO FRIO, NEM MUITO QUENTE... NA MEDIDA CERTA

Um exoplaneta transitando pela face de seu hospedeiro não é apenas uma ótima maneira para os astrônomos detectarem tal mundo, pela queda na saída de luz das estrelas que ele causa. O método de trânsito também provou ser uma boa maneira de avaliar a composição da atmosfera de um planeta.

Isso ocorre porque átomos e moléculas absorvem luz em comprimentos de onda característicos. Assim, observando as lacunas nas assinaturas de luz das estrelas à medida que brilham através das atmosferas dos planetas, os astrônomos podem ver quais elementos compõem esses envoltórios gasosos.

Em 1999, Greg Henry e David Charbonneau usaram o método de trânsito para detectar e observar um exoplaneta que passava na frente da estrela HD 209458. Isso revelou que o planeta, chamado HD 209458 b, tinha uma atmosfera de oxigênio, nitrogênio, carbono, e, principalmente, água. Esta atmosfera está sendo retirada deste mundo, deixando um rastro atrás dele que é semelhante ao de um cometa.

De acordo com Madhusudhan, desde 1999 e particularmente na última década, as observações atmosféricas de exoplanetas decolaram em grande estilo, com as primeiras medições robustas de vapor de água nas atmosferas desses planetas. 

Infelizmente, como foi o caso do HD 209458 b, muitas dessas detecções nos dizem pouco sobre a possibilidade de vida existir lá.

"Planetas quentes e gigantes são onde detectamos água, na maior parte como vapor de água. E não há possibilidade de vida nesses planetas", diz Madhusudhan.

Emocionante, no entanto, isso está começando a mudar. Madhusudhan é o editor da Exofrontiers, que reúne trabalhos pioneiros da comunidade científica de exoplanetas: Ele aponta que nossos métodos de examinar atmosferas melhoraram a ponto de agora sermos capazes de detectar elementos químicos em planetas muito menores. 

Isso inclui mundos semelhantes à Terra nas chamadas zonas habitáveis de planetas "Cachinhos Dourados", onde as condições seriam perfeitas para permitir a existência de água líquida.

“Somos capazes de detectar pequenos planetas do tamanho da Terra nas zonas habitáveis de suas estrelas hospedeiras em torno de estrelas próximas. E isso é especialmente verdadeiro para pequenas estrelas chamadas anãs M. Madhusudhan diz, referenciando, em particular, os planetas do sistema TRAPPIST-1.

Exoplanetas descobertos pelo telescópio Kepler que orbitam duas estrelas, uma na zona Cachinhos Dourados ao redor das estrelas. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

Descoberto em 2017, o sistema contém sete mundos rochosos terrestres, todos a uma distância adequada de sua anã vermelha para facilitar a existência de água em sua superfície. “Estes são todos planetas rochosos pequenos, rochosos e semelhantes à Terra, nas distâncias certas para a habitabilidade em torno de suas estrelas hospedeiras”.

Observações dos planetas TRAPPIST-1 realizadas em fevereiro de 2018 revelaram que alguns deles podem até abrigar mais água líquida e oceanos mais amplos do que a Terra.

Isso torna o sistema um dos principais alvos para investigações atmosféricas por futuros telescópios, incluindo o Telescópio Espacial James Webb (JWST).

As composições potenciais dos exoplanetas TRAPPIST-1, alguns dos quais hospedam mais água do que a Terra. Crédito da imagem: NASA

A BUSCA POR EXOPLANETAS

Esse aspecto de busca de vida e investigação da atmosfera não fazia parte da missão do JWST quando os planos para um telescópio infravermelho próximo de 32 pés (dez metros), resfriado passivamente em uma órbita alta da Terra, foi inicialmente pensado em 1989.

No último ano da década de 1980, os astrônomos ainda não haviam descoberto planetas ao redor de outras estrelas e o Telescópio Espacial Hubble, que daria uma importante contribuição para essa busca, ainda faltava um ano para o lançamento.

Várias equipes de astrônomos estão solicitando tempo de observação com o novo telescópio espacial para que possam investigar planetas fora do sistema solar. Isso inclui Madhusudhan, que liderará uma equipe que trabalha com o JWST para investigar atmosferas de exoplanetas em detalhes sem precedentes: “Estamos realmente na era de ouro da ciência dos exoplanetas, mas também estamos à beira de uma grande revolução na astronomia moderna”. 

E enquanto mesmo o JWST de US$ 10 bilhões não será capaz de dizer conclusivamente se um planeta está hospedando vida, seu poder de observação aproxima a humanidade da detecção de moléculas que sugerem a presença de organismos vivos. Isso lançará mais bases para futuras missões.

“Somos a geração afortunada que pode testemunhar a descoberta da vida em outro lugar, dentro desta geração”, diz Madhusudhan. “Sonhamos com isso há milhares de anos e somos aquele piscar de olhos na geração em que essa descoberta importante acontecerá. "Para mim isso é enorme."

Pesando os exoplanetas rochosos do sistema TRAPPIST 9, que será o principal alvo do JWST. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech

Madhusudhan faz parte da pesquisa sobre os chamados mundos híceos, planetas ricos em água com superfícies cobertas quase inteiramente por oceanos e com atmosferas compostas principalmente de hidrogênio molecular. Esses mundos hipotéticos poderiam potencialmente redefinir os limites do que consideramos a zona habitável. Isso dá aos pesquisadores alvos fora da zona habitável tradicional para incluir na busca pelas assinaturas reveladoras de vida.

E nada diz “lançando uma rede mais ampla” como a revelação deste ano de que os astrônomos podem ter pego uma dica do primeiro planeta exoplaneta a ser detectado fora da Via Láctea. A equipe, incluindo Nia Imara da Universidade da Califórnia, pode ter detectado um exoplaneta do tamanho de Saturno a 28 milhões de anos-luz da Terra na galáxia Messier 51. Este exoplaneta extragaláctico parece estar orbitando um objeto compacto de alta massa, como uma estrela de nêutrons ou um buraco negro.

“Surpreendentemente, estamos apenas arranhando a superfície, pois agora pensamos que quase uma estrela em cada duas hospeda um planeta, e existem centenas de bilhões de estrelas em nossa galáxia e bilhões de galáxias no Universo”, acrescenta Allart. "A diversidade de exoplanetas já é tão rica que nem mesmo os melhores autores de ficção científica poderiam imaginar. "É incrível descobrir cada vez mais sistemas e mundos de exoplanetas estranhos."

De acordo com Allart, apesar dessa riqueza de planetas e do nosso crescente conhecimento sobre eles, proteger nosso próprio mundo ainda é de suma importância: "O sistema solar e, em particular, a Terra permanece único na diversidade de exoplanetas. Portanto, é importante entender que não existe planeta B."

RECURSOS ADICIONAIS

• Para mais informações sobre exoplanetas confira "A fábrica de planetas: Exoplanetas e a busca por uma segunda terra" de Elizabeth Tasker e "Exoplanetas" de John W. Mason. 
• Se você quiser caçar exoplanetas, confira os muitos projetos de ciência cidadã da NASA.

BIBLIOGRAFIA

• ESA, "The O futuro da pesquisa de exoplanetas", março de 2022. 
• NASA, "Exploração de Exoplanetas: Planetas Além do Nosso Sistema Solar", março de 2022. 
• Nikku Madhusudhan, "ExoFronteiras: Grandes questões na ciência exoplanetária", IOP Publishing Ltd, outubro de 2021. 
• David Spiegel, et al "Estrutura de exoplanetas", PNAS, Volume 111, dezembro de 2013, https://doi.org/10.1073/pnas.1304206111. 
• Geoffrey Marcy, et al, "Propriedades observadas de Exoplanetas: Masses, Órbitas e Metalicidades", Progress of Theoretical Physics Supplement, Volume 158, fevereiro de 2005, https://doi.org/10.1143/PTPS.158.24.
• Brendan Crill, et al, "Principais soluções tecnológicas para o estudo de exoplanetas e a busca de mundos habitáveis", arXiv, março de 2018, https://doi.org/10.48550/arXiv.1803.04457.

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Referência:

LEA, Robert. Exoplanets: Alien worlds beyond our solar system. Live Science, 08, mar. 2022. Disponível em: <https://www.livescience.com/what-are-exoplanets>. Acesso em: 09, mar. 2022.