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O Telescópio Espacial James Webb da NASA está examinando exoplanetas potencialmente habitáveis em nossa galáxia, concentrando-se em pequenos planetas que poderiam sustentar vida devido à sua localização na zona habitável. A detecção de atmosferas, e muito menos de bioassinaturas indicativas de vida, é extremamente desafiadora devido ao tamanho minúsculo dos sinais desses planetas e à interferência de suas estrelas hospedeiras. Crédito: SciTechDaily.com
O Telescópio Espacial James Webb está pesquisando ativamente exoplanetas pequenos e potencialmente habitáveis, utilizando espectroscopia de transmissão para analisar suas composições atmosféricas. O processo é complicado pelos pequenos tamanhos de sinal e pela necessidade de longos tempos de observação, tornando a detecção de bioassinaturas de vida uma tarefa exigente.
Os exoplanetas são comuns na nossa galáxia e alguns até orbitam na chamada zona habitável da sua estrela. O Telescópio Espacial James Webb da NASA tem estado ocupado observando alguns desses planetas pequenos e potencialmente habitáveis, e os astrônomos estão agora trabalhando arduamente na análise dos dados de Webb. Convidamos os Drs. Knicole Colón e Christopher Stark, dois cientistas do projeto Webb no Goddard Space Flight Center da NASA, para nos contar mais sobre os desafios no estudo desses outros mundos.
Definindo Planetas Potencialmente Habitáveis
“Um planeta potencialmente habitável é frequentemente definido como um planeta semelhante em tamanho à Terra que orbita na ‘zona habitável’ da sua estrela, um local onde o planeta poderia tem uma temperatura onde a água líquida poderia existem em sua superfície. Atualmente conhecemos cerca de 30 planetas que podem ser planetas pequenos e rochosos como a Terra e que orbitam na zona habitável.
“No entanto, não há garantia de que um planeta que orbita na zona habitável seja realmente habitável (poderia sustentar vida), muito menos habitado (atualmente sustenta vida). No momento em que este artigo foi escrito, havia apenas um planeta habitável e habitado conhecido – a Terra!
Este infográfico compara as características de três classes de estrelas em nossa galáxia: estrelas semelhantes ao Sol são classificadas como estrelas G; estrelas menos massivas e mais frias que o nosso Sol são anãs K; e estrelas ainda mais fracas e frias são as anãs M avermelhadas. O tamanho da zona habitável é diferente para cada classe de estrela. No nosso sistema solar, a zona habitável começa logo além da órbita de Vênus e quase abrange Marte. Crédito: NASA, ESA e Z. Levy (STScI)
Desafios da observação de atmosferas de exoplanetas
“Os mundos potencialmente habitáveis que Webb está observando são todos exoplanetas em trânsito, o que significa que suas órbitas estão quase de lado, de modo que passam na frente de suas estrelas hospedeiras. Webb aproveita essa orientação para realizar espectroscopia de transmissão quando o planeta passa na frente de sua estrela. Esta orientação permite-nos examinar a luz estelar filtrada através das atmosferas dos planetas para aprender sobre as suas composições químicas.
“No entanto, a quantidade de luz estelar bloqueada pela fina atmosfera de um pequeno planeta rochoso é minúscula, normalmente muito menor que 0,02%. Simplesmente detectar uma atmosfera em torno desses pequenos mundos é muito desafiador. Identificar a presença de vapor d’água, que pode reforçar a possibilidade de habitabilidade, é ainda mais difícil. Procurando por bioassinaturas (gases produzidos biologicamente) é extraordinariamente difícil, mas também uma tarefa estimulante.
Quando um exoplaneta passa diretamente entre sua estrela hospedeira e o observador, dizemos que o planeta está transitando na frente de sua estrela hospedeira. Este trânsito diminui a luz da estrela em uma quantidade mensurável, e a luz das estrelas também é filtrada através da atmosfera do exoplaneta, se houver. Esta animação mostra um único planeta e a correspondente mudança nos níveis de luz durante o trânsito. Crédito: NASALaboratório de Propulsão a Jato
“Atualmente, existem apenas alguns mundos pequenos e potencialmente habitáveis que são considerados acessíveis à caracterização atmosférica com Webb, que inclui os planetas LHS 1140 b e TRAPPIST-1 e.
Desafios técnicos na detecção de bioassinaturas
“Alguns trabalho teórico recente explorar a detectabilidade de moléculas gasosas na atmosfera do planeta LHS 1140 b, do tamanho de uma super-Terra, destaca vários desafios na busca por bioassinaturas. O trabalho observa que seriam necessários aproximadamente 10 a 50 trânsitos do planeta em torno de sua estrela hospedeira, equivalentes a 40 a 200 horas de observação com Webb, para tentar detectar possíveis bioassinaturas, como amônia, fosfina, clorometano e óxido nitrosono melhor cenário de uma atmosfera clara e sem nuvens.
Um espectro de transmissão simulado de uma atmosfera semelhante à da Terra mostra comprimentos de onda da luz solar que moléculas como ozônio (O3), água (H2O), dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4) absorvem. (Observe que neste gráfico, o eixo y mostra a quantidade de luz bloqueada pela atmosfera do planeta semelhante à Terra, em vez do brilho da luz solar que viaja através da atmosfera: o brilho diminui de baixo para cima.) Espectro de transmissão do modelo de Lisa Kaltenegger e Zifan Lin 2021 ApJL 909. Crédito: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)
As complexidades dos cronogramas de observação de exoplanetas
“Dado que Webb não pode visualizar o sistema LHS 1140 durante todo o ano devido à localização do sistema no céu, levaria vários anos, senão perto de uma década, para coletar 50 observações de trânsito do LHS 1140 b. A busca por bioassinaturas pode exigir ainda mais de 50 observações de trânsito se a atmosfera do planeta estiver nublada.
“Sabe-se que a maioria dos pequenos exoplanetas tem nuvens ou neblinas que amortecem ou obscurecem o sinal que está sendo procurado. Os sinais atmosféricos destes gases de bioassinatura também tendem a sobrepor-se a outros sinais atmosféricos esperados (por exemplo, devido ao metano gasoso ou ao dióxido de carbono), pelo que a distinção entre os vários sinais é outro desafio.
Planetas Hycean: um novo caminho para pesquisa
“Um caminho potencial na busca por bioassinaturas está no estudo dos planetas Hycean, que são uma classe teórica de planetas do tamanho da super-Terra com uma atmosfera relativamente fina e rica em hidrogênio e um substancial oceano de água líquida. A super-Terra K2-18 b é uma candidata a um planeta Hycean potencialmente habitável com base em dados atuais de Webb e outros observatórios.
“Um trabalho publicado recentemente usou o NIRSpec e o NIRISS para detectar metano e dióxido de carbono na atmosfera de K2-18 b, mas não água. Isto significa que a sugestão de que K2-18 b é um mundo Hycean com um oceano de água líquida permanece baseada em modelos teóricos, sem nenhuma evidência observacional direta ainda. Os autores do trabalho também sugeriram a possível presença da potencial bioassinatura de sulfeto de dimetila na atmosfera de K2-18 b, mas o sinal potencial de sulfeto de dimetila é muito fraco para uma detecção conclusiva nos dados atuais.
Concepção artística do Telescópio Espacial James Webb. Crédito: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez
“O conceito e estudo da classe de planetas Hyceanos é muito novo, de modo que interpretações alternativas para o cenário oceânico de água líquida (e, portanto, para o potencial para um ambiente habitável) ainda estão sendo exploradas. As próximas observações de Webb com os instrumentos NIRSpec e MIRI deverão lançar mais luz sobre a natureza do potencial planeta Hycean K2-18 b e sobre a possível presença de sulfeto de dimetila em sua atmosfera.
Fatores de confusão em dados observacionais
“Um outro fator de confusão que torna desafiador o estudo de Webb de mundos pequenos e potencialmente habitáveis é que o hospedar estrelas também pode exibir sinais de vapor de água. Isso foi explorado em observações recentes de Webb do exoplaneta rochoso conhecido como GJ 486 b. Temos, portanto, o desafio adicional de determinar se o vapor de água detectado pelo Webb provém realmente da atmosfera de um planeta e não da sua estrela.
Conclusão: O Futuro dos Estudos de Exoplanetas
“A detecção de bioassinaturas nas atmosferas de planetas em trânsito pequenos e potencialmente habitáveis que orbitam estrelas frias é um empreendimento extremamente desafiador, normalmente exigindo condições ideais (por exemplo, atmosferas livres de nuvens) ou assumindo ambientes primitivos da Terra (ou seja, diferentes da Terra moderna como sabemos disso), a detecção de sinais significativamente menores que 200 partes por milhão, uma estrela bem comportada sem vapor de água significativo em manchas estelares e uma quantidade significativa de tempo de telescópio para alcançar relação sinal-ruído suficiente.
“Também é importante ter em mente que a detecção de uma única bioassinatura por qualquer meio não constitui descoberta de vida. A descoberta de vida num exoplaneta provavelmente exigirá um grande conjunto de bioassinaturas detectadas inequivocamente, dados de múltiplas missões e observatórios e extensos esforços de modelagem atmosférica, um processo que provavelmente levará anos.
“O poder do Webb é que ele tem a sensibilidade para detectar e começar a caracterizar as atmosferas de alguns dos planetas potencialmente habitáveis mais promissores que orbitam estrelas frias. Webb, particularmente, tem a capacidade de detectar uma série de moléculas importantes para a vida, como vapor de água, metano e dióxido de carbono. Nosso objetivo é aprender o máximo que pudermos sobre mundos que podem ser potencialmente habitáveis, mesmo que não possamos identificar definitivamente assinaturas habitáveis com Webb.
“As observações de Webb, combinadas com estudos de exoplanetas pelo próximo Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, acabarão por estabelecer as bases para o futuro Observatório de Mundos Habitáveisque será a primeira missão da NASA construída especificamente para obter imagens diretas e procurar vestígios químicos causados pela vida em planetas semelhantes à Terra em torno de estrelas semelhantes ao Sol.”
Sobre os autores:
Knicole Colón é astrofísica do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, e atua como vice-cientista do projeto do Telescópio Espacial James Webb para Ciência de Exoplanetas.
Christopher Stark é astrofísico do Laboratório de Exoplanetas e Astrofísica Estelar do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, e atua como vice-cientista do projeto do observatório do Telescópio Espacial James Webb.
