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Os cientistas descobriram milhares de exoplanetas, incluindo dezenas de mundos terrestres - ou rochosos - nas zonas habitáveis em torno de suas estrelas-mãe. Uma abordagem promissora para procurar sinais de vida nesses mundos é investigar as atmosferas de exoplanetas em busca de "bioassinaturas" - adulterações na composição química que são sinais reveladores da vida. Por exemplo, graças à fotossíntese, nossa atmosfera tem quase 21% de oxigênio, um nível muito mais alto do que o esperado, dada a composição, a órbita e a estrela-mãe da Terra.
Encontrar bioassinaturas não é uma tarefa simples. Os cientistas usam dados sobre como as atmosferas de exoplanetas interagem com a luz de sua estrela-mãe para aprender sobre suas atmosferas. Mas as informações, ou espectros, que eles podem reunir usando os telescópios terrestres e espaciais atuais são muito limitados para medir diretamente as atmosferas ou detectar bioassinaturas.
Pesquisadores de exoplanetas como Victoria Meadows, professora de astronomia da Universidade de Washington, estão focados no que observatórios futuros, como o Telescópio Espacial James Webb, ou JWST, poderiam medir nas atmosferas de exoplanetas . No dia 15 de fevereiro, na reunião anual da Associação Americana para o Avanço da Ciência em Seattle, Meadows, principal pesquisador do Laboratório Planetário Virtual da UW, fará uma palestra para resumir que tipo de dados esses novos observatórios podem coletar e o que podem revelar sobre as atmosferas de exoplanetas terrestres, semelhantes à Terra. Meadows sentou-se com a UW News para discutir a promessa dessas novas missões para nos ajudar a ver os exoplanetas sob uma nova luz.
P: Que mudanças estão chegando ao campo da pesquisa sobre exoplanetas?
Nos próximos cinco a 10 anos, potencialmente teremos nossa primeira chance de observar a atmosfera dos exoplanetas terrestres. Isso ocorre porque novos observatórios devem ficar on-line, incluindo o Telescópio Espacial James Webb e observatórios terrestres como o Telescópio Extremamente Grande. Muito do nosso trabalho recente no Laboratório Virtual Planetário, bem como de colegas de outras instituições, concentrou-se em simular como os exoplanetas semelhantes à Terra "se parecerão" com o JWST e os telescópios terrestres. Isso nos permite entender os espectros que esses telescópios captarão e o que esses dados vão ou não nos dizer sobre as atmosferas de exoplanetas.
P: Que tipos de atmosferas de exoplanetas o JWST e outras missões serão capazes de caracterizar?
Nossos alvos são na verdade um grupo seleto de exoplanetas que estão próximos - em 40 anos-luz - e orbitam estrelas muito pequenas e frias. Para referência, a missão Kepler identificou exoplanetas em torno de estrelas que estão a mais de 1.000 anos-luz de distância. As estrelas hospedeiras menores também nos ajudam a obter melhores sinais do que as atmosferas planetárias são feitas, porque a fina camada da atmosfera planetária pode bloquear mais a luz de uma estrela menor.
Portanto, existem alguns exoplanetas em que estamos nos concentrando para procurar sinais de habitabilidade e vida. Todos foram identificados por pesquisas terrestres como o TRAPPIST e seu sucessor, SPECULOOS - ambos administrados pela Universidade de Liège - e pelo MEarth Project, conduzido por Harvard. Os exoplanetas mais conhecidos nesse grupo são provavelmente os sete planetas terrestres que orbitam o TRAPPIST-1. TRAPPIST-1 é uma estrela anã M - uma das menores que você pode ter e ainda é uma estrela - e seus sete exoplanetas abrangem o interior da zona habitável e além dela, com três na zona habitável.
Nós identificamos o TRAPPIST-1 como o melhor sistema para estudar, porque essa estrela é tão pequena que podemos obter sinais bastante grandes e informativos das atmosferas desses mundos. Todos são primos na Terra, mas com uma estrela-mãe muito diferente, será muito interessante ver como são as suas atmosferas.
P: O que você aprendeu até agora sobre a atmosfera dos exoplanetas do TRAPPIST-1?
A comunidade de astronomia fez observações do sistema TRAPPIST-1, mas não vimos nada além de "não detecções". Isso ainda pode nos dizer muito. Por exemplo, observações e modelos sugerem que é menos provável que essas atmosferas de exoplanetas sejam dominadas pelo hidrogênio, o elemento mais leve. Isso significa que eles não têm atmosferas, ou têm atmosferas de densidade relativamente alta como a Terra.
P: Não há atmosferas? O que causaria isso?
As estrelas anãs M têm uma história muito diferente da do nosso próprio sol. Após a infância, as estrelas parecidas com o sol brilham com o tempo à medida que passam pela fusão.
Os anões M começam grandes e brilhantes, à medida que caem gravitacionalmente para o tamanho que terão na maior parte de suas vidas. Portanto, os planetas anões M poderiam ser submetidos a longos períodos de tempo - talvez até um bilhão de anos - de luminosidade de alta intensidade. Isso pode despojar um planeta de sua atmosfera, mas a atividade vulcânica também pode reabastecer atmosferas. Com base em suas densidades, sabemos que muitos dos mundos do TRAPPIST-1 provavelmente possuem reservatórios de compostos - em níveis muito mais altos do que a Terra, na verdade - que podem reabastecer a atmosfera. Os primeiros resultados significativos do JWST para o TRAPPIST-1 serão: Quais mundos retiveram a atmosfera? E que tipos de atmosferas são elas?
Estou silenciosamente otimista de que eles têm atmosferas por causa desses reservatórios, que ainda estamos detectando. Mas estou disposto a ser surpreendido pelos dados.
Que tipos de sinais o JWST e outros observatórios procurarão nas atmosferas dos exoplanetas do TRAPPIST-1. Provavelmente, o sinal mais fácil de procurar será a presença de dióxido de carbono.
P: O CO2 é uma bioassinatura?
Não por si só, e não apenas a partir de um único sinal. Eu sempre digo aos meus alunos - olhe para a direita, olhe para a esquerda. Vênus e Marte têm atmosferas com altos níveis de CO2, mas sem vida. Na atmosfera da Terra, os níveis de CO2 se ajustam às nossas estações. Na primavera, os níveis diminuem à medida que as plantas crescem e retiram o CO2 da atmosfera. No outono, as plantas quebram e o CO2 aumenta. Portanto, se você observar ciclismo sazonal, isso pode ser uma bioassinatura. Mas as observações sazonais são muito improváveis com o JWST.
Em vez disso, o JWST pode procurar outra potencial bioassinatura, o gás metano na presença de CO2. O metano normalmente deve ter uma vida útil curta com o CO2. Portanto, se detectarmos os dois juntos, algo provavelmente está produzindo ativamente metano. Na Terra, a maior parte do metano em nossa atmosfera é produzida pela vida.
P: E quanto à detecção de oxigênio?
O oxigênio por si só não é uma bioassinatura. Depende de seus níveis e do que mais há na atmosfera. Você pode ter uma atmosfera rica em oxigênio pela perda de um oceano, por exemplo: A luz divide as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio escapa para o espaço e o oxigênio se acumula na atmosfera.
O JWST provavelmente não coletará diretamente o oxigênio da fotossíntese oxigenada - a biosfera à qual estamos acostumados agora. O Telescópio Extremamente Grande e os observatórios relacionados podem ser capazes, porque estarão olhando para um comprimento de onda diferente do JWST, onde terão melhores chances de ver oxigênio. O JWST será melhor para detectar biosferas semelhantes ao que tínhamos na Terra bilhões de anos atrás, e para diferenciar entre diferentes tipos de atmosferas.
P: Quais são alguns dos diferentes tipos de atmosferas que os exoplanetas do TRAPPIST-1 podem possuir?
A fase de alta luminosidade do anão M pode levar um planeta a uma atmosfera com um efeito estufa descontrolado, como Vênus. Como eu disse anteriormente, você pode perder um oceano e ter uma atmosfera rica em oxigênio. Uma terceira possibilidade é ter algo mais parecido com a Terra.
P: Vamos falar sobre essa segunda possibilidade. Como o JWST poderia revelar uma atmosfera rica em oxigênio se não pode detectar oxigênio diretamente?
A beleza do JWST é que ele pode captar processos que acontecem na atmosfera de um exoplaneta. Ele captará as assinaturas de colisões entre moléculas de oxigênio, o que acontecerá com mais frequência em uma atmosfera rica em oxigênio. Portanto, provavelmente não podemos ver as quantidades de oxigênio associadas a uma biosfera fotossintética. Mas se uma quantidade muito maior de oxigênio foi deixada para trás pela perda do oceano, provavelmente podemos ver as colisões de oxigênio no espectro, e isso é provavelmente um sinal de que o exoplaneta perdeu um oceano.
Portanto, é improvável que o JWST nos forneça provas conclusivas de bioassinaturas, mas pode fornecer algumas dicas tentadoras, que requerem acompanhamento adicional e - avançando - pensando em novas missões além do JWST. A NASA já está considerando novas missões. Como gostaríamos que fossem suas capacidades?
Isso também me leva a um ponto muito importante: a ciência do Exoplanet é massivamente interdisciplinar. Compreender o ambiente desses mundos requer considerar órbita, composição, história e estrela hospedeira - e requer a contribuição de astrônomos, geólogos, cientistas atmosféricos, cientistas estelares. Realmente é preciso uma vila para entender um planeta.
Fornecido por University of Washington
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