Um pouco sobre exoplanetas: as Super-Terras



Outro dia eu estava assistindo a série Cosmos nova (como Neil DeGrasse Tyson) e fiquei fascinada pela história de Giordano Bruno. Quem ainda não assistiu as séries, está perdendo :). E está perdendo principalmente as animações feitas que recontam a história de grandes cientistas que pensaram a frente de seu tempo. Neil visita locais históricos. Foi até a Itália e visitou o local onde Giordano Bruno ficou preso, por exemplo. Ele foi teólogo e filósofo, não tinha um treinamento em astronomia (pelo menos ao que se sabe), mas contemplava o Cosmos e refletia sobre tudo de maneira muito polêmica para sua época.

Ele acreditava na ideia do universo infinito. Para ele, o Universo era infinito como Deus é infinito em seus poderes. Para ele, isso era uma maneira de se impressionar com o poder de Deus e contemplar sua grandiosidade. Bruno questionou diversos aspectos da fé católica também e seus próprios questionamentos sobre o Universo em uma época em que a Igreja Católica era a verdade absoluta no mundo ocidental. Por isso, a Inquisição fez com que ele ficasse preso por muitos anos. Como não quis negar suas convicções e opiniões, foi condenado a fogueira na Inquisição. Morreu em 1600.

Vou contar que fiquei emocionada com a narração da biografia de Bruno por Neil DeGrasse Tyson. A animação é muito linda, mostra um sujeito que apesar da prisão, tinha o seu interior livre, pois ele não negava suas ideias. Lindo demais, assistam a série!

O Julgamento de Giordano Bruno pela Inquisição Romana. Relevo em bronze por Ettore Ferrari (1845-1929), Campo de' Fiori, Roma.
O Julgamento de Giordano Bruno pela Inquisição Romana. Relevo em bronze por Ettore Ferrari (1845-1929), Campo de’ Fiori, Roma.

Estou mencionando Giordano Bruno porque acredito que ele foi um dos primeiros que se tem notícia (pelo menos a partir da Idade Moderna) a sugerir que as outras estrelas são outros ‘sóis’ e que poderia haver planetas orbitando esses outros sóis. Ele teria declarado:

Este espaço nós declaramos ser infinito… e nele há uma infinidade de mundos parecidos com o nosso.

No século XVIII, Isaac Newton declarou em Principia:

“E se as estrelas fixas são os centros de sistemas semelhantes, todos eles vão ser construídos de acordo com um projeto similar (…)”.

No final do século XIX e ao longo do século XX, várias alegações de descobertas de exoplanetas foram feitas. Que eu saiba, nenhuma foi confirmada. O primeiro exoplaneta confirmado foi descoberto em 1992 (mas já havia uma desconfiança de sua existência desde 1988) foi o PSR B1257+12 B, que orbita o pulsar PSR B1257+12 que está na constelação de virgem e está a 980 anos-luz de distância da Terra. O método utilizado nessa descoberta foi através do timing, método que descreverei sucintamente ainda nesse texto (leiam tudo rs). Os pesquisadores envolvidos nessa descoberta foram os radioastrônomos Aleksander Wolszczan e Dale Frail. Em geral, esse é considerado o primeiro exoplaneta confirmado, pois o trabalho foi publicado e a comunidade científica confirmou.

Esse episódio contando a história de Giordano Bruno me deixou ainda mais curiosa sobre os exoplanetas, como vocês vão perceber ao longo do texto. Tive então a ideia de escrever esse post. E acabei encontrando a página pessoal de Sara Seager, cientista planetária e astrofísica do MIT. De acordo com as informações publicadas pela Prof. Sara, atualmente mais de 400 planetas exoplanetas.  Lembro que ha uns 7-8 anos atrás, fiz um curso de astronomia e um dos professores mencionou que eram 150 planetas. Ou seja, esse número mais do que dobrou na última década! 

Sara Seager é uma das maiores autoridades mundiais no estudo de exoplanetas. Ela revisou a Equação de Drake, para levar em conta a presença de qualquer vida alienígena (independentemente de terem tecnologia de rádio). Fonte: Wikimedia Commons
Prof. Sara Seager é uma das maiores autoridades mundiais no estudo de exoplanetas. Ela revisou a Equação de Drake, para levar em conta a presença de qualquer vida alienígena (independentemente de terem tecnologia de rádio). Fonte: Wikimedia Commons
exoplaneta
O numero de exoplanetas detectados tem aumentado em taxa exponencial nos últimos anos. Ano passado foram mais de 800 exoplanetas detectados, mais do todos os outros anos somados (desde 1992, quando o primeiro foi confirmadamente detectado). As cores indicam as técnicas usadas na descoberta. Cada uma dessas técnicas serão descritas a segur. Fonte: Open Exoplanet Catalogue/ Wikimedia Commons

Existem pelo menos 5 técnicas para detectarmos exoplanetas. Como eles são muito pequenos face a estrela que orbitam, as detecções são “indiretas”, ou seja, o exoplaneta não é visualizado. O que é medido é alguma perturbação causada pela presença do exoplaneta. Na página, a Prof. Sara atualiza mensalmente esse gráfico:

Exoplanetas que foram descobertos e as técnicas de detecção. Fonte: Sara Seager/MIT
Exoplanetas que foram descobertos e as técnicas de detecção. Fonte: Sara Seager/MIT

Além de indicar com quais formas de detecção os exoplanetas foram descobertos, o gráfico também mostra qual a massa do planeta descoberto comparado com o tamanho da Terra (=1 significa que tem a mesma massa de nosso planeta). As letras indicam os planetas de nosso sistema solas (E = Earth, M=Mercúrio e Ma=Marte, os outros estão bem intuitivos). E também mostra o semi-eixo maior da órbita em torno da estrela (que é a metade do valor do eixo maior):

Fonte: Wikimedia Commons
Fonte: Wikimedia Commons

Ou seja, observando a figura divulgada pela Prof. Sara, percebe-se que nenhum planeta está em condições de semi-eixo maior (ou seja,a distância da estrela que orbita) e massa bem próximos ao da Terra.

Agora vamos as técnicas de detecção dos planetas. Falarei delas brevemente:

1) Timing

Esse método é composto por várias técnicas, dependendo do tipo de estrela.  Planetas na órbita de uma estrela podem causar variações de duração de fenômenos periódicos sobre estrelas ou outros planetas que orbitam a mesma estrela.

Por exemplo, vamos supor um planeta que orbite uma estrela tipo pulsar. Os pulsares emitem ondas de rádio em uma frequência bem definida e bem conhecida, cujas informações são obtidas por radiotelescópios. Se ocorrer uma anomalia nessas emissões, essa anomalia pode ser devida a presença de um planeta em sua órbita.

2) Radial Velocity (Velocidade Radial):

Uma estrela com um planeta em sua órbita pode ter sua velocidade radial alterada, pois a presença do planeta altera o campo gravitacional. A velocidade radial pode ser deduzida a partir do deslocamento de linhas espectrais da estrela-mãe, devido ao efeito Doppler. É como se a estrela “oscilasse”.  O método das velocidades radiais mede estas variações, a fim de confirmar a presença do planeta. E dependendo da alteração (grande/pequena), é possível deduzir a proximidade da órbita do planeta e o seu tamanho. Esse método certamente foi pensado levando em conta o nosso próprio sistema solar. A velocidade radial do Sol é afetada pela presença de planetas orbitando em torno dela. Da mesma maneira, outras estrelas também são afetadas por planetas que as orbitam.

3) Transit (Trânsito ou ainda Fotometria de Trânsito):

Este método fotométrico tem uma interessante vantagem com relação aos outros: pode determinar o raio do planeta. Se um planeta cruza (transita) na frente do disco de sua estrela-mãe, então o brilho visual observado da estrela cai uma pequena quantidade. Claro, deve haver dados de bastante tempo dessa estrela, para detectar uma queda no brilho. O quanto a estrela “escurece” depende do tamanho do planeta que está transitando.

4) Microlensing (ou Microlente Gravitacional)

A microlente gravitacional ocorre quando o campo gravitacional de uma estrela age como uma lente, aumentando a luz de uma estrela distante ao fundo. Este efeito ocorre somente quando as duas estrelas são quase exatamente alinhadas. Esses eventos são muito breves, com duração de semanas ou dias, já que as  duas estrelas e Terra estão todos em movimento em relação ao outro. Mais de mil eventos como assim foram observados ao longo dos últimos dez anos.

Se a estrela do primeiro plano de lente tem um planeta, então próprio campo gravitacional do planeta pode contribuir de maneira detectável para o efeito de lente gravitacional. Uma vez que requer um alinhamento, um número muito grande de estrelas distantes deve ser monitorado continuamente, a fim de detectar as contribuições planetárias no efeito de microlentes.  Como podemos perceber no gráfico fornecido pela Prof. Sara, um número relativamente pequeno de planetas foi detectado dessa forma, já que alinhamentos não acontecem sempre.

Vale ressaltar que toda vez que um exoplaneta é detectado por uma equipe de cientistas (seja qual for o(s) método(s) empregados na detecção), essa descoberta torna-se pública para a comunidade científica quando é publicada por uma revista da área. Antes de ser publicado, o artigo é revisado e lido por pares (pesquisadores da mesma área, preferencialmente de outras instituições e claro, que não façam parte do mesmo grupo de pesquisa do trabalho). Depois, torna-se público. Por exemplo, encontrei esse artigo  que descreve a detecção de um planeta 5,5x mais massivo que a Terra. A detecção foi feita através do método de microlentes gravitacionais.

5) Direct Imaging (Imagem Direta / Imageamento direto):

Os planetas são fontes de luz extremamente fraca comparada com estrelas e pouca luz que vem deles tende a ser perdido no brilho de sua estrela-mãe. Planetas não produzem “luz própria” e acabam refletindo luz proveniente da estrela. No entanto, se a estrela está relativamente próxima de nosso Sistema Solar, se o planeta é relativamente grande (consideravelmente maior do que Júpiter), amplamente separado de sua estrela-mãe e muito quente, ele emitirá uma radiação infravermelha intensa que poderá ser detectada. Dessa maneira, na região do infravermelho, o planeta será ‘mais brilhante’ que sua estrela-mãe. Coronógrafos são utilizados para “bloquear’ a luz da estrela vista de um telescópio, deixando dessa forma o planeta visível. Percebam na figura fornecida pela Prof. Sara: os planetas detectados por Direct Imaging são em geral grandes e estão afastados da estrela que orbitam.

***

Como observamos na figura da Prof. Sara, a maior parte dos exoplanetas foi descoberta pelo método da velocidade radial.

O que chamou minha atenção, como meteorologista, na lista de trabalhos da Prof. Sara é esse artigo sobre as atmosferas das Super-Terras. O artigo explica como detectar quando uma atmosfera é rica ou pobre em hidrogênio. Se for pobre em hidrogênio, significa que é o planeta analisado é bem mais parecido com a nossa Terra.

No estudo de exoplanetas e até mesmo na divulgação das descobertas, é comum que os cientistas e os comunicares façam essa comparação com os planetas de nosso Sistema Solar. Isso ajuda muito na compreensão do tema, pois estamos comparando com algo que conhecemos bem.

As Super-Terras  são exoplanetas de 1 a 10 vezes mais massivos que a Terra, de acordo com o artigo. São entretanto bem menos massivos que os gigantes gasosos (Urano e Netuno tem respectivamente 15 e 17 vezes a massa da Terra). As Super-Terras são geralmente definidas apenas a partir de suas massas. Não leva-se em conta composição da atmosfera, temperatura, habitabilidade, etc. No artigo em questão, afirma-se que algumas super-Terras puderam reter hidrogênio em sua atmosfera, como os nossos gigantes gasosos conseguiram. Outras talvez não tenham acumulado hidrogênio, ou tiveram um ‘escape’ de hidrogênio e outros elementos leves (hélio também por exemplo), de modo que a atmosfera dessas super-Terras seja bem parecida com as atmosferas dos planetas terrestres de nosso Sistema Solar (especificamente Vênus, Terra e Marte). Dessa maneira, segundo a Prof. Sara e seus colaboradores, teríamos dois ‘tipos’ de super-Terra, classificados de acordo com a presença abundante ou não de hidrogênio.

E essa detecção pode ser feita através da análise do espectro de emissão e transmissão. Espectroscopia  é a designação para toda técnica de levantamento de dados físico-químicos através da transmissão, absorção ou reflexão da energia radiante incidente em uma amostra {x}. Com a espectroscopia, é possível determinar apenas através de observação (sem a necessidade de enviar uma sonda) a composição do astro e no caso de um planeta, é possível inclusive obter informações sobre a composição de sua atmosfera. A espectroscopia nasceu com Joseph von Fraunhofer, óptico alemão, no século XVIII. Fraunhofer fabricava as melhores lentes de seu tempo. Morreu muito jovem, se não me engano com mais ou menos de 40 anos. Seus segredos de fabricação de lentes foram anotados cuidadosamente por escritores enquanto ele estava em seu leito de morte. Não vou entrar em detalhes, mas a história de Fraunhofer é muito interessante: órfão e muito pobre, foi explorando por um fabricante de espelhos durante parte de sua infância e adolescência. O príncipe da Bavária teria descoberto o menino durante o desabamento da fábrica onde trabalhava. Ele quis ajudar o garoto, oferecendo dinheiro e instrução. Logo ele se transformou um renomado fabricante de lentes. Fraunhofer descobriu faixas pretas de absorção no espectro solar, hoje conhecidas como linhas de Fraunhofer. Com o tempo, descobriu-se que essas faixas pretas mudavam de posição dependendo da substância do meio por onde a fonte de luz passava. Desse modo, cada substância tem uma “assinatura” própria, permitindo então descobrir a composição de diversos astros. Esse foi o nascimento da Astrofísica.  E já que mencionei a série Cosmos no começo do post, volto a mencionar: a história de Fraunhofer é narrada em um dos episódios. E Neil visita a fábrica de lentes de Fraunhofer e mostra o local onde ele fez a descoberta. Ou seja, assistam a série (já falei isso nesse post, né?)!

Uso esse colete e continuo legal. Mas, se você usar esse colete, chamo o Esquadrão da Moda.
Uso esse colete e continuo legal. Mas, se você usar esse colete, chamo o Esquadrão da Moda.

Claro que informações de sondas fornecem ainda mais dados para confirmar a espectroscopia, mas no caso de exoplanetas, é muito complicado (ou quase impossível) mandar uma sonda para tão distante num tempo hábil de ser obter as informações. Então a espectroscopia é o que temos!  Por isso achei o trabalho da Prof. Sara tão interessante.

Bom, prefiro terminar meu post por aqui, uma vez que ele ficou bem grande. Eu já tinha mencionado exoplanetas em dois posts: nesse, em que falo sobre chuva em diferentes partes do universo e nesse, em que recomendo um documentário bem interessante sobre o tema.