Astrónomos propõem um novo método para detetar atmosferas em planetas rochosos

Quando o Telescópio Espacial James Webb da NASA for lançado em 2021, uma das suas mais esperadas contribuições para a astronomia será o estudo dos exoplanetas – planetas que orbitam estrelas distantes. Uma das questões mais prementes desta área é a seguinte: poderá um pequeno exoplaneta rochoso a orbitar uma anã vermelha manter uma atmosfera?

Numa série de quatro artigos publicados na revista Astrophysical Journal, uma equipa de astrónomos propõe um novo método de utilização do Telescópio Webb para determinar se um exoplaneta rochoso tem atmosfera. O método, que envolve a medição da temperatura do planeta à medida que ele começa a passar atrás da sua estrela e volta depois a aparecer, é significativamente mais rápido que os métodos mais tradicionais de deteção de atmosferas, como a espectroscopia de transmissão.

“Descobrimos que o Webb pode facilmente inferir a presença ou a ausência de uma atmosfera em torno de vários exoplanetas rochosos conhecidos em menos de 10 horas de tempo de observação por planeta,” disse Jacob Bean, da Universidade de Chicago, coautor de três dos artigos.

Os astrônomos estão particularmente interessados em exoplanetas que orbitam estrelas anãs vermelhas por várias razões. Uma delas é que este tipo de estrelas, mais pequenas e mais frias que o Sol, são as mais comuns na nossa galáxia. Outra é que um planeta, ao passar à frente de uma anã vermelha (trânsito) bloqueia uma maior fração de luz estelar do que no caso de estrelas maiores, como o Sol. Logo, os planetas que orbitam anãs vermelhas são mais fáceis de detetar através do método do “trânsito”.

Uma anã vermelha produz muito menor quantidade de calor que o Sol, o que implica que para um planeta poder ter temperaturas habitáveis precisa de ter uma órbita muito próxima da estrela. De facto, para estar na zona habitável – a zona em volta da estrela onde um planeta pode ter água líquida à superfície – o planeta precisa de estar mais próximo da anã vermelha do que Mercúrio está do Sol. Como consequência, irá transitar a estrela com maior frequência, facilitando a repetição das observações.

Mas um planeta com uma órbita tão próxima está sujeito a condições adversas. As anãs vermelhas jovens são muito ativas, com enormes explosões e erupções de plasma. Emitem também fortes ventos de partículas carregadas. Todos estes efeitos podem destruir a atmosfera de um planeta, deixando apenas uma rocha nua. “A perda da atmosfera é a mais importante ameaça à habitabilidade dos planetas,” disse Bean.

Há uma outra característica importante dos exoplanetas com órbitas próximas a anãs vermelhas e que é fulcral para esta nova técnica: espera-se que eles tenham acoplamento de maré (rotação sincronizada), o que significa terem sempre o mesmo lado voltado para a estrela, sendo de um lado sempre de dia e do outro sempre de noite. Como resultado, vemos diferentes fases do planeta em diferentes pontos de sua órbita. Quando o planeta passa em frente à estrela, vemos o seu lado noturno. Mas quando está prestes a passar atrás da estrela (um evento conhecido como eclipse secundário), ou está a surgir atrás dela, podemos observar o seu lado diurno.

Se um exoplaneta rochoso não possuir atmosfera, o seu dia será muito quente, tal como acontece na Lua ou em Mercúrio. Mas se tiver atmosfera, espera-se que esta diminua a temperatura diurna, que o Webb irá medir. A diminuição pode acontecer de duas maneiras. No caso de uma atmosfera espessa, o calor pode ser transportado do lado diurno para o noturno através de ventos. Se a atmosfera for mais fina, poderá ainda ter nuvens que refletem parte da luz estelar que chega, diminuindo assim a temperatura no lado diurno do planeta.

“Sempre que existe uma atmosfera, ela diminui a temperatura diurna. Logo, se observarmos algo mais frio que rocha nua, podemos inferir que é sinal de uma atmosfera,” explicou Daniel Koll, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), principal autor de dois dos artigos.

O Webb é o instrumento ideal para levar a cabo estas medições, porque possui um espelho muito maior do que o de outros telescópios, como o Hubble ou o Spitzer, o que permite recolher mais luz, e pode atingir comprimentos de onda infravermelhos apropriados.

Os cálculos realizados pela equipa mostram que Webb deve ser capaz de detetar a assinatura de calor da atmosfera de um planeta em 1 a 2 eclipses secundários – com apenas algumas horas de observação. Note-se que a deteção de uma atmosfera através de observações espectroscópicas exigiria normalmente 8 ou mais trânsitos desses mesmos planetas.

A espectroscopia de transmissão, que estuda a luz das estrelas filtrada pela atmosfera do planeta, também sofre interferências, devido a nuvens ou neblinas que podem mascarar as assinaturas moleculares da atmosfera. Em tal caso, o gráfico espectral, em vez de mostrar linhas de absorção pronunciadas devidas a moléculas, será essencialmente plano.

“Na espectroscopia de transmissão, uma linha plana não nos diz nada. Tanto pode significar que o Universo está cheio de planetas mortos sem atmosfera, como que está cheio de planetas com atmosferas muito diferentes e interessantes, mas todas nos parecem iguais porque estão nubladas,” disse Eliza Kempton, da Universidade de Maryland, coautora de três dos artigos.

“Atmosferas de exoplanetas sem nuvens e neblinas são como unicórnios – ainda não as observámos, e podem nem existir,” acrescentou.

A equipa salientou ainda que uma temperatura diurna mais baixa do que o esperado pode ser uma pista importante, mas não confirma a existência de uma atmosfera. As dúvidas poderão ser depois clarificadas através de estudos de acompanhamento usando outros métodos como a espectroscopia de transmissão.

A verdadeira importância da nova técnica vai ser determinar que fração dos exoplanetas rochosos possui provavelmente uma atmosfera. Aproximadamente uma dúzia dos exoplanetas que são bons candidatos para este método foram detetados no ano passado. Quando o Webb estiver operacional, é bem provável que sejam descobertos mais.

“O satélite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) está a descobrir imensos,” afirmou Kempton.

O método do eclipse secundário tem uma limitação: funciona melhor em planetas demasiado quentes para estarem localizados na zona habitável. Contudo, determinar se esses planetas possuem ou não atmosferas tem importantes implicações para os planetas da zona habitável. “Se os planetas quentes conseguem manter uma atmosfera, então os mais frios também deverão conseguir,” disse Koll.

Fonte da notícia: NASA