A Revelação de Novos Mundos

Nos últimos 25 anos, descobriram-se milhares de planetas a orbitar outras estrelas na nossa galáxia. Com instrumentos cada vez mais sensíveis, quer em terra quer no espaço, estamos agora mais perto de saber se algum deles é parecido com a nossa Terra.

segunda-feira, 18 de maio de 2020,
Por Sérgio G. Sousa
Conceção artística do exoplaneta 51 Pegasi b, do tipo “Júpiter quente” - o primeiro planeta detetado ...

Conceção artística do exoplaneta 51 Pegasi b, do tipo “Júpiter quente” - o primeiro planeta detetado a orbitar uma estrela do tipo do Sol. Orbita uma estrela a cerca de 50 anos-luz de distância e localizada na constelação do Pégaso. A sua descoberta, realizada em 1995 pelos suíços Michel Mayor e Didier Queloz, partilhou o prémio Nobel da Física de 2019.

Fotografia de ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger


Ao longo dos últimos séculos, o imaginário humano povoou-se de mundos distantes em órbita de outras estrelas que não o Sol. Inúmeros planetas e personagens em aventuras pela galáxia tornaram-se parte da memória coletiva, mas só em 1995 se confirmou que o Sol não é a única estrela a ter planetas por companhia. A descoberta do primeiro planeta em órbita de uma estrela semelhante ao Sol partilhou em 2019 o prémio Nobel da Física.

Nos últimos 25 anos, os astrónomos já confirmaram a existência de mais de quatro mil planetas a orbitar outras estrelas na nossa vizinhança galáctica. No entanto, muitos destes planetas, chamados planetas extrasolares, ou exoplanetas, pouco se parecem com a família de planetas que orbitam o Sol. Por exemplo, a descoberta de planetas gigantes como Júpiter, mas a orbitar mais perto da sua estrela do que Mercúrio está do Sol, foi completamente inesperada.

Estas descobertas apresentam um grande desafio, para mim e para os meus colegas astrónomos, no estudo da formação e da evolução dos sistemas planetários, até agora baseado apenas no conhecimento de um deles — o nosso Sistema Solar. Para continuarmos este estudo com sucesso, é essencial conhecer o melhor possível todos estes novos mundos. E estas novas descobertas tendem a implicar uma mudança radical na nossa interpretação da história do próprio Sistema Solar.
 

Planetas em trânsito
Como é então possível saber as características destes planetas que estão a dezenas, ou mesmo centenas, de anos-luz de nós? Que métodos usam os astrónomos para estimar os seus tamanhos, e avaliar se são rochosos como a Terra, ou compostos sobretudo por gás, como Júpiter?

A distância a que estão é um dos aspetos que mais limita o estudo dos planetas extrasolares, na sua maioria demasiado pequenos e sem brilho suficiente para que sejam facilmente visíveis. Além disso, a própria luz emitida pela estrela apresenta outra grande dificuldade. Ela ofusca quase por completo qualquer tentativa de observação direta dos planetas que a orbitam.

Ainda assim, a luz é o único meio que os astrónomos têm para obter informação do Universo. Como alternativa, analisam a luz da própria estrela, utilizando métodos indiretos para chegar aos mundos em órbita dela. Pequenas variações na luz podem ser medidas e interpretadas como sendo devidas à presença de planetas, e podem mesmo fornecer informações muito interessantes sobre eles.

Destes métodos indiretos, dois têm tido bastante sucesso na deteção, e também na caracterização dos planetas extrasolares. Um deles permite obter uma estimativa da massa do planeta, e baseia-se na influência gravítica que ele exerce sobre o movimento da estrela. O outro método é utilizado para medir o tamanho do planeta. No texto que se segue, vou explicar em que consiste este segundo método, chamado método dos “trânsitos”, e o que ele nos permite conhecer.

Conceção artística de um planeta pequeno e rochoso a transitar diante do disco da sua estrela-mãe. Se se conhecer o tamanho, massa e densidade de planetas como este, será possível ter uma ideia de qual será a sua composição e estrutura, indiciando se será rochoso ou gasoso, por exemplo, ou se terá oceanos. Conhecer estes mundos, muitos deles sem exemplo no Sistema Solar, é essencial para compreender a formação e evolução dos sistemas planetários, incluindo o nosso.

Fotografia de ESA


O primeiro passo é compreender o que é o “trânsito” de um planeta. Um trânsito acontece, na perspetiva de um observador, por exemplo, na Terra, quando um planeta a orbitar a sua estrela passa, ou transita, em frente dela e tapa uma parte do disco estelar. Há assim uma fração de luz da estrela que é obstruída pelo planeta e não chega ao telescópio do observador. É possível observar este fenómeno no Sistema Solar. Em certas ocasiões, vemos os planetas interiores, Mercúrio e Vénus, passarem diante do disco do Sol.

Porém, o trânsito de exoplanetas é um fenómeno raro, e é mesmo impossível observá-lo para a grande maioria dos exoplanetas. A razão é de natureza geométrica. Para que a partir da Terra observemos um planeta passar diante da sua estrela, é necessário que a estrela, o planeta e a Terra estejam mais ou menos alinhados. Mas isso só ocorre quando o plano da órbita do planeta está orientado no espaço segundo a nossa linha de visão a partir da Terra.

Quanto mais desviada estiver a nossa linha de visão em relação à orientação do plano orbital do planeta, menos provável é observar este fenómeno. Aliás, é mais fácil observarmos o trânsito de planetas em órbitas próximas da estrela. Para planetas que orbitam a maior distância da estrela, um pequeno desvio na sua órbita pode já implicar que não cruzem o disco estelar, caso em que passam despercebidos a partir do nosso ponto de vista na Terra.

A probabilidade de observar o trânsito de um planeta como a Terra em torno de uma estrela parecida com o Sol, e à distância a que a Terra está do Sol, é de apenas 0,5%, ou seja, assumindo que há 200 “Terras” na nossa vizinhança galáctica, cada uma delas a orbitar uma estrela diferente, mas todas semelhantes ao Sol, só poderemos ter a sorte de ver trânsitos de uma dessas “Terras”. Teríamos ainda de observar em permanência as 200 estrelas durante um ano, que é o período orbital da Terra, para conseguirmos ter uma oportunidade por ano para observar apenas um destes eventos.

Para observar um trânsito de um exoplaneta, está fora de questão tirar uma fotografia à estrela através de um telescópio. As distâncias às estrelas são tão grandes que, mesmo com os maiores telescópios atuais, as vemos apenas como pontos de luz. É por enquanto praticamente impossível obter uma imagem bem definida de um disco estelar e com um círculo negro de um exoplaneta recortado nele, tal como vemos nos trânsitos observados no Sistema Solar.

Em vez disso, os astrónomos recorrem a um instrumento que mede continuamente a quantidade de luz que nos chega da estrela. Esta quantidade de luz, ou fluxo, diminui quando o planeta em trânsito começa a tapar parte do disco estelar. A diminuição, designada por profundidade do trânsito, está relacionada tanto com o tamanho do planeta, como com o tamanho da estrela.

A diminuição será tanto mais “profunda” quanto maior for a área do disco do planeta, mas também quanto menor for a área do disco da estrela, pois a variação do fluxo de luz depende do rácio da área do disco estelar pela área do disco planetário. Eu e os meus colegas que investigam a física das estrelas conseguimos estimar de que tipo de estrela se trata através de outras técnicas de observação, e assim obter o tamanho aproximado da estrela. A profundidade de um trânsito fornece assim o outro lado da equação: uma medida quase direta do tamanho do planeta.
 

Encontrar uma “Terra” à distância de anos-luz
Os planetas mais fáceis de detetar e de caracterizar com esta técnica dos trânsitos são os planetas maiores e que se encontram mais perto da sua estrela. Irão ocultar uma maior área do disco estelar e subtrair mais luz ao fluxo que nos chega da estrela. Por estarem próximo da estrela, será também mais provável vê-los “transitarem” diante dela, mesmo que a estrela, o planeta e a Terra não estejam rigorosamente alinhados.

Planetas gigantes e próximos da sua estrela são designados por “Júpiteres Quentes”, mundos estranhos e sem exemplo no Sistema Solar. Pela facilidade na sua deteção, foram os primeiros exoplanetas a serem descobertos. Podem provocar uma diminuição muito significativa da luz da estrela, da ordem de um a dois por cento.

O trânsito destes planetas pode ser registado com instrumentos acessíveis a astrónomos amadores, mas encontrar planetas gémeos da Terra é muito mais difícil. Um planeta como a Terra a orbitar uma estrela parecida com o Sol produz uma diminuição do fluxo de luz da estrela de apenas 0,008%. Será como descobrir numa árvore de Natal a quilómetros de distância e decorada com 100 000 lâmpadas, que há oito lâmpadas apagadas.

Para detetar um sinal tão pequeno são necessários instrumentos de alta precisão, com margens de erro mínimas. Mas há fatores que limitam estas medições. Um deles é a atmosfera terrestre, cuja inconstância perturba e altera a luz da estrela que chega aos instrumentos. Qual é a alternativa? A melhor solução é recorrer a missões espaciais para colocar os instrumentos acima da atmosfera, realizando as observações a partir do espaço.

Outra das limitações é o que os astrónomos chamam o “ruído” da estrela. As estrelas não são corpos estáticos a flutuar no espaço emitindo um fluxo de luz constante e previsível. Muito pelo contrário. São corpos em evolução e que libertam continuamente uma enorme quantidade de energia.

Os fenómenos físicos associados à libertação desta energia perturbam a camada de gás mais exterior da estrela. É desta camada que provém a luz da estrela e, por conseguinte, estes processos físicos têm impacto na forma como a luz é libertada. Basta recordarmo-nos da atividade do Sol, com as suas manchas, por exemplo.

Como dissemos, não é possível ver detalhes num disco estelar, mas apenas um ponto de onde nos chega um fluxo de luz. É um desafio interpretar as variações desse fluxo e separar o que é “ruído” da estrela dos sinais produzidos pela presença de um planeta em trânsito. A forma de eliminar este “ruído” é melhorar o que sabemos sobre a física das estrelas.
 

CHEOPS, um telescópio no espaço
Várias missões espaciais foram desenhadas para detetar trânsitos planetários, como a missão CoRoT, da Agência Espacial Europeia (ESA), lançada em 2006, ou as missões Kepler/K2, entre 2009 e 2018, e TESS, lançada em 2018, ambas da NASA. O telescópio espacial Kepler foi o que teve até agora maior sucesso. É responsável pela grande maioria das deteções de exoplanetas realizadas até hoje.

Tendo em conta a baixa probabilidade de detetar trânsitos, a estratégia da missão Kepler baseou-se na observação simultânea de milhares de estrelas. Para isso concentrou-se numa pequena região do céu recheada delas. Uma consequência foi a observação de um grande número de estrelas pouco brilhantes (devido sobretudo a estarem muito longe).

Por serem pouco brilhantes, é mais difícil conhecer o seu tamanho e a sua massa. Sem sabermos com rigor o tamanho da estrela, pouco poderemos dizer do tamanho do planeta pois, como já dissemos, a observação do trânsito apenas nos dá uma medida dos planetas relativamente ao tamanho da estrela.

O satélite CHEOPS montado em laboratório na Airbus Defence and Space, em Madrid, em fevereiro de 2019. Este telescópio espacial irá permitir a medição de pequenas variações no brilho de estrelas que já se sabe terem planetas em órbita delas. Essas variações, devidas à passagem dos planetas diante do disco estelar, permitem estimar com precisão o tamanho desses planetas, muitos deles com dimensões entre as da Terra e as de Neptuno.

Fotografia de ESA - S. Corvaja


O telescópio espacial CHEOPS é uma nova missão da ESA, lançada em dezembro de 2019, que irá observar trânsitos de planetas já conhecidos a orbitarem estrelas brilhantes. Tem a contribuição de vários países e institutos europeus, incluindo Portugal e o Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA). Como investigador do IA e membro da equipa científica da missão, sou responsável pela caracterização precisa das estrelas que o CHEOPS irá observar.

Esta é a primeira missão espacial com o objetivo focado, já não na deteção, mas na caracterização detalhada de planetas extrasolares. Como serão observadas estrelas brilhantes, elas podem ser bem caracterizadas, obtendo-se também maior precisão na caracterização dos seus planetas. Outro aspeto notável desta missão da ESA é que, para estas estrelas brilhantes, o telescópio CHEOPS conseguirá medir variações no brilho da ordem de 0,002%. Retomando a analogia da árvore de Natal decorada com 100 000 lâmpadas, será possível ver quando apenas duas dessas lâmpadas se apagam. As observações do CHEOPS permitirão descobrir se alguns dos planetas que orbitam as suas estrelas-alvo terão um tamanho tão pequeno como a Terra.

Curva de luz de um dos primeiros trânsitos observados já com o telescópio CHEOPS, o do planeta KELT-11b em frente da sua estrela, a 320 anos-luz de distância. Um pouco maior do que Júpiter, este planeta está mais perto da sua estrela do que Mercúrio está do Sol, e é o exemplo de algo que não existe no Sistema Solar.

A curva de luz evidencia a “profundidade” de diminuição no brilho da estrela durante o trânsito, que dura oito horas. Esta curva permitiu aos cientistas avaliar o diâmetro do planeta em 181 600 quilómetros.

Fotografia de Consórcio da Missão CHEOPS


Planetas à luz das estrelas
Durante os três anos e meio previstos para a duração da missão, espera-se observar planetas de vários tipos e determinar melhor os seus tamanhos. Cada um destes planetas será também observado a partir de instrumentos nos telescópios em terra, usando a outra técnica brevemente referida atrás e que permitirá conhecer a sua massa.

Conhecida a massa e o tamanho com precisão, basta um simples cálculo para saber a densidade média destes exoplanetas. A densidade é a chave para os caracterizar. Um planeta denso será provavelmente rochoso, como a Terra, ou Mercúrio, que é mais denso ainda. Planetas pouco densos poderão ser constituídos sobretudo por gás, como Júpiter ou Neptuno.

Qual será o passo seguinte? O que mais poderemos tentar saber sobre estes mundos tão distantes? Uma possibilidade será combinar estas observações com outras técnicas para se obter uma ideia mais completa destes sistemas planetários. Por exemplo, uma das ideias que estão a ser desenvolvidas é a combinação dos dados dos planetas com a composição química da estrela. Assumindo, como será razoável, que a estrela e os planetas tiveram origem na mesma nuvem molecular, podemos juntar a informação de ambos e melhorar os modelos teóricos de formação e evolução de sistemas planetários, que tentam inclusivamente explicar o próprio Sistema Solar.

Se compreendermos melhor a história que precedeu o momento em que observamos estes mundos, será possível levantar hipóteses sobre os materiais de que são feitos e a estrutura do seu interior. No limite, conseguiremos estimar a probabilidade de existir água no estado líquido num planeta com o tamanho e a densidade da Terra, mesmo que se encontre a anos-luz de nós. Quem diz água no estado líquido, diz um mundo potencialmente habitável por vida como a que existe na Terra.

 

Sérgio G. Sousa é astrónomo no Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço. Participa diretamente na missão CHEOPS, quer do ponto de vista de desenvolvimento tecnológico, quer do ponto de vista de exploração científica dos seus dados. É também atualmente o representante nacional no comité científico e técnico do Observatório Europeu do Sul (ESO).

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