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EXOPLANETAS
O que são exoplanetas?
Um exoplaneta (ou planeta extra-solar) é um
planeta que orbita uma estrela que não seja o
Sol e, portanto, pertence a um sistema
planetário diferente do nosso.
Hipotetizados por Giordano Bruno em ~1600
(=> aula História),
Isaac Newton (século XVIII)
detecções alegadas no século XIX
mas o primeiro foi encontrado só em 1992.
Giordano Bruno
O que são exoplanetas?
Até 14 de Agosto de 2014, haviam 1815 exoplanetas detectados em 1130
sistemas planetários.
Deve ter pelo menos um planeta para cada estrela (da Via Láctea), em média.
existem sistemas com vários planetas (como o Sistema Solar)
estrelas duplas com planetas, orbitando uma ou ambas as estrelas
Existem “planetas” (sub-anãs marrons) “flutuando livremente” também, q. d. não
orbitando alguma estrela (podem ser até trilhões na Via Láctea!).
O que são exoplanetas?
Definição de planeta no Sistema Solar (IAU, 2006, => aula Asteróides, Cometas):
1. Orbitar uma estrela, i. e. o Sol.
2. Massa alta o suficiente para ter forma esférica pela gravitação própria.
3. Ter esvaziado a vizinhança da órbita.
Para exoplanetas ainda falta uma definição clara!
Uma definição possível inclui uma massa limite superior, por exemplo a massa
limite para fusão nuclear (~13 MJupiter).
A partir desta massa se fala de Anãs Marrons.
Outra definição possível distingue entre planetas e Anãs Marrons pelo
mecanismos de formação (aglomeração de planetesimais num disco
protoplanetária vs. colapso de uma nuvem de gás)
O que são exoplanetas?
O nome de um exoplaneta se compõe do nome da estrela, em torno daquela ele
orbita (a estrela “mãe”), seguido por uma letra minúscula, dando a ordem de
descoberta do planeta no sistema planetário da estrela, começando por b.
exemplo: β Pictoris b é o primeiro planeta descoberto em torno
da estrela β Pictoris
Esta nomenclatura apresenta problemas para planetas em sistemas de estrelas
binárias
Como se encontra exoplanetas?
Existem vários métodos de detecção:
-
Velocidade Radial
Imagem Direta
Trânsito
Efeito Microlente
"Timing"
Astrometria
e outros...
A técnica utilizada para a detecção dos exoplanetas influencia muito no tipo de
planetas que conhecemos até a atualidade. Por exemplo, até faz pouco não se
conhecia nenhum exoplaneta tão pequeno quanto a Terra. Isso deve-se ao fato de
que os métodos favorecem a detecção de planetas de alta massa.
Fotografar Exoplanetas (Imagem direta)
Fotografar um planeta do Sistema Solar é
relativamente fácil, pois eles estão entre
os astros mais brilhantes do céu.
Isso porque eles estão relativamente
próximos, porém, à medida que nos
distanciamos, os planetas se tornam cada
vez mais fracos.
Além de serem pouco brilhantes, os
planetas se encontram ao redor de uma
estrela que, assim como nosso Sol, é muito
brilhante. O planeta tem, em geral, menos
que um millionésimo do brilho da sua
estrela “mãe”. Isso faz com que a luz
da estrela ofusque o fraco brilho dos
planetas e dificulte ainda mais a obtenção
de imagens.
A dificuldade de se conseguir essa foto é comparável a fotografar uma formiga
ao lado de um farol que se encontra a 400 km de distância.
Fotografar Exoplanetas (Imagem direta)
Apesar da dificuldade, já existem imagens diretas de planetas. Essas imagens
foram obtidas utilizando-se de diversas técnicas, como o uso de coronógrafos,
instrumentos que realizam eclipses artificiais da estrela.
Essas imagens são obtidas em
infravermelho. No infravermelho,
os planetas são um pouco mais brilhantes
e as estrelas um pouco mais fracas,
isso ajuda na diminuição do contraste
e melhora as condições para obter
imagens diretas.
HD 95086 b
Fotografar Exoplanetas (Imagem direta)
Por este método, é possível
estimar a temperatura (pela
“cor”/espectro) e o tamanho
(pelo brilho aparente) do
planeta, mas o método não
ajuda muito para determinar a
massa.
O método só serve para
encontrar
planetas
que
orbitam as suas estrelas em
grandes distâncias (>100 AU).
Fotografar Exoplanetas (Imagem direta)
Apesar de ser o método
mais direto de
detecção, poucos
exoplanetas foram
encontrados por
Imagem Direta.
β Pictoris b
Efeitos gravitacionais
Sabe-se que as estrelas exercem uma força gravitacional sobre os
planetas, mantendo-os em órbita. Da mesma maneira, os planetas
também exercem força gravitacional sobre a estrela, porém,
muito mais fraca que aquela exercida pela estrela.
Assim, da mesma forma que os planetas realizam órbitas ao
redor da estrela, a estrela também realiza pequenas órbitas ao
redor de um ponto chamado baricentro ou centro de massa,
que é o ponto de equilíbrio entre os dois corpos.
Como a estrela é muito maior que o planeta, esse ponto de equilíbrio
normalmente localiza-se dentro da própria estrela. Portanto, a estrela
realiza órbitas que mais se parecem com um bamboleio. Medir esse
bamboleio da estrela requer uma grande precisão instrumental.
Velocidade Radial
O método de velocidade radial, também
conhecido como "método de Doppler" mede
variações na velocidade com a qual a estrela
se afasta ou se aproxima de nós.
Mais especificamente, mede a componente
da velocidade estelar ao longo da linha de
visada (a linha imaginária que une o
observador ao objeto), pelo Efeito Doppler.
Velocidade Radial
Já que a influencia do planeta sobre a estrela é
maior, se o planeta tem massa alta e uma órbita
perto da estrela (com raio pequeno), é este
o tipo de planeta, às vezes chamado de
“Júpiters Quentes”, que é predominantemente
encontrado por este método.
O método também favorece a detecção de planetas
com órbitas paralelas à linha de visada.
O método fornece um limite inferior para a massa
do exoplaneta.
Até o final do ano passado, a velocidade radial era o método de detecção de
planetas estrasolares de maior sucesso.
Essa técnica sozinha detectou da ordem de 800 de todos os exoplanetas
encontrados.
Eclipses Exoplanetários (trânsitos)
Uma das técnicas mais utilizadas para detectar exoplanetas é o chamado método
de trânsito
O "trânsito" em Astronomia refere-se à passagem de um astro em frente de outro.
Ele funciona apenas com uma pequena % de planetas cujos planos orbitais
estejam perfeitamente alinhados com nossa linha de visada, mas pode ser
aplicado mesmo a estrelas muito distantes.
Eclipses Exoplanetários (trânsitos)
A passagem de um planeta na frente de uma estrela faz com que a estrela
pareça estar um pouquinho menos brilhante e dessa forma destacamos o
planeta.
Assim, quanto maior for o planeta, maior será a diminuição do brilho que esse
planeta causa, o que ajuda a estimar o tamanho dele.
Por isto também, é muito difícil detectar
planetas pequenos (do tamanho da Terra).
Combinando os métodos da velocidade radial
e de eclipses, dá para determinar massa,
raio e raio orbital de um exoplaneta.
Eclipses Exoplanetários (trânsitos)
Hoje existem dois telescópios especiais que se dedicam a procurar planetas de
massa comparável à da Terra por esse método:
CoRoT, da ESA
e a missão KEPLER da NASA.
Kepler
Lançado em 2009
Operante desde 2012
monitorando constantemente
145'000 estrelas
até 06/2014:
977 exoplanetas confirmados
+ 3277 a serem confirmados
Levou a estimativas de um
número gigantesco de
planetas “tipo Terra”
na Via Láctea (até 40 bio.)
Microlentes gravitacionais
A gravidade de uma estrela ou um planeta curva
a luz, assim como fazem as lentes de óculos, por
isso o nome microlentes gravitacionais
(=> Aula Via Láctea).
Mais do que curvar a luz, esta é intensificada,
assim, pode-se medir a estrela se tornando
mais brilhante devido a esse fenômeno.
A presença de um planeta em torno da estrela
lente faz com que a luz seja curvada de forma
diferente, como se fosse uma lente com pequenos riscos. Isso faz com que a
intensidade da luz varie de forma distinta, permitindo detectar o planeta.
Microletentes gravitacionais
Esse método possui o inconveniente de
que ele só acontece uma vez e não se
repetirá para aquela estrela, por isso há
somente uma oportunidade de realizar
a observação.
“Timing”
A presença de um exoplaneta pode afetar fenômenos temporais da estrela
“mãe” ou de outros planetas presentes (e talvez já detectados), p. e.:
- a órbita do(s) outro(s) planeta(s)
- as frequências das pulsações da estrela, caso esta é uma estrela variável
- as emissões de pulsos da estrela, caso esta é um pulsar (método não muito
produtivo: até hoje forneceu só cinco detecções, mas o primeiro exoplaneta
confirmado foi um destes cinco)
Existem outros possíveis métodos de detecção, como astrometria (observar o
bamboleio da estrela mão diretamente), modulações da reflexão da luz da
estrela mãe, polarização da luz refletida, e outros, que até hoje detectaram
muito poucos ou nenhum exoplaneta.
Descobertas de Exoplanetas por Ano e Método (Junho 2014)
Velocidade Radial
Trânsito
"Timing"
Imagem Direta
Efeito Microlente
Propriedades dos exoplanetas
Apesar da pesquisa em exoplanetas ser motivada principalmente pela busca por
planetas parecidos com o nosso, os primeiros planetas detectados fora do
Sistema Solar possuem característica muito distintas da nossa Terra, mas
também de qualquer outro planeta do nosso Sistema Solar.
Alguns exoplanetas orbitam suas estrelas a uma distância muito pequena, esses
planetas também possuem massas muito grandes, da ordem de algumas vezes a
massa de Júpiter, o maior planeta do Sistema Solar. Esse tipo de planeta não era
esperado, uma vez que aqui em nosso sistema planetário, todos os chamados
planetas gigantes gasosos residem em órbitas distantes, da ordem de 5 a 30
vezes a distância da Terra ao Sol.
Alguns exoplanteas chegam a orbitar a estrela a menos de um centésimo da
distância da Terra ao Sol. Isso faz com que esses corpos sejam muito quentes,
“Júpiters Quentes”, bem diferente do que acontece com os planetas gigantes do
nosso sistema.
Propriedades dos Exoplanetas
Nesta figura se vê bem, que o
tipo de exoplaneta detectado
depende do método usado.
Velocidade Radial
Trânsito
"Timing"
Imagem Direta
Efeito Microlente
Propriedades dos exoplanetas
Mas isto foi devido a um
viés observacional, já
que o método de maior
sucesso até então, o da
velocidade
radial,
favorece a detecção de
“Júpiters Quentes”.
Hoje, com os dados da
missão Kepler, o número
de exoplanetas
detectados com
tamanhos da ordem da
da Terra está crescendo.
Propriedades dos exoplanetas
Dependendo da massa,
os exoplanetas podem
ser
classificados
em
quatro categorias:
Planetas
Terrestres
(parecidos
com
os
planetas terrestres do
Sistema Solar),
- “Super-Terras”: similar,
mas maiores
- “Netunos” (como Urano
e Netuno)
Gigantes
Gasosos:
Como Saturno ou Júpiter
ou com massas maiores
ainda
Propriedades dos exoplanetas
Os primeiras planetas
encontrados
pelo
satéllite Kepler:
Tipo de planeta em
função da distância até a
estrela mãe
Propriedades dos exoplanetas
!
Dependendo
da
temperatura, que depende
fortemente da distância do
planeta a sua estrela mãe,
as
propriedades
de
exoplanetas podem ser
bem diferentes daqueles
do Sistema Solar.
Exemplo: Os “Júpiters
Quentes”
Propriedades dos exoplanetas
Estima-se, que ~20 %
das estrelas da Via
Láctea
têm
planetas
“tipo Júpiter” e 40 %,
“tipo Terra”
Em geral, é em torno de
estrelas
de
“alta
metalicidade”
(fração
grande de elementos
pesados) que planetas
são encontrados.
Propriedades dos exoplanetas
Então,
provavelmente,
exoplanetas com massas
terrestres
são
muito
frequentes
Propriedades dos Exoplanetas
Exoplaneta mais próximo detectado: α Centauri Bb: 4.4 anos luz daqui
Mais distante: talvez encontraram um na galáxia de Andrômeda,
a 2.5 mio. anos luz daqui! (a ser confirmado)
Massas: 0.02 MTerra – 28.5 MJupiter
Raios: 0.3 RTerra – 2.2 RJupiter
Densidades: 0.03 - 23 g/cm3
Semi-eixos das órbitas: 0.006 - 1168 AU (em torno de uma estrela binária)
Períodos orbitais: 0.24 dias terrestres – 163'000 anos terrestres
Sistemas com até 9(+2?) planetas detectados
Do que são feitos?
Quando um planeta passa na frente da
sua estrela, podemos ver o espectro da
sua atmosfera em absorção, e quando
ele está ao lado da estrela, em emissão.
Desta maneira deveríamos conseguir
determinar a composição da sua
atmosfera.
O problema é decompor este espectro
daquele da estrela, muito mais intenso.
Detectar o espectro refletido pela
superfície do planeta, para determinar a
composição desta superfície, é mais
difícil ainda.
Do que são feitos?
Recentemente
detectou-se pela
primeira vez o
espectro de um
exoplaneta.
Encontrou-se
sódio
no espectro de um
exoplaneta;
Água, monóxido de
carbono,
gás
carbônico e metano
na de um outro;
e
água
nas
atmosferas de alguns
outros exoplanetas.
Mas ainda são poucos
os resultados.
Do que são feitos?
A Terra possui uma atmosfera que é constituída principalmente do gás
nitrogênio e oxigênio, além de outros gases em menor quantidade. Esses
elementos também produzem seus "códigos de barras" no espectro.
Acredita-se que a única maneira de se saber se existe vida em outro planeta, é
medindo a composição da sua atmosfera e descobrindo gases que são
produzidos exclusivamente por processos biológicos.
A Terra pode servir como um bom laboratório, uma vez que sabemos que
possui vida, e então buscaremos padrões parecidos com aqueles encontrados
aqui.
Mais sobre estes assuntos nas próximas duas aulas, sobre Vida no Espaço.
A variedade de Sistemas com Planetas Múltiplos
Dados: Kepler
Alguns Sistemas particulares
Alguns Sistemas particulares
Zona Habitável:
=> Aula sobre
Vida no Espaço
! As “imagens” de
exoplanetas neste
e outros slides
são interpretações
artísticas.
Não
necessáriamente
representam bem
as aparências
verdadeiras.
Alguns Sistemas particulares
Comparação
de tamanhos
de planetas
do Sistema
Kepler-20
com os
planetas
do Sistema
Solar
Alguns Sistemas particulares
Mesma coisa para Kepler-37
Planetas Possivelmente Habitáveis
Mais sobre planetas habitáveis nas aulas sobre Vida no Espaço
Planetas Possivelmente Habitáveis
Mais sobre planetas habitáveis nas aulas sobre Vida no Espaço
Ùltimos e Futuros Avanços
Já conseguiram medir o período rotacional de uma exoplaneta:
β Pictoris b gira em torno do seu eixo em 8 horas (similar a Júpiter)
Com a nova geração de telescópios (prontos em ~2018) conseguirão fazer um
mapa da suérfície deste planeta (de muito baixa resolução, claro)
Em decembre de 2013 detectaram o primeiro candidato a exo-lua de um
planeta “flutuando livremente”
FIM
Fontes
Slides do Paulo do ano passado
The Extrasolar Planets Encyclopaedia: http://exoplanet.eu/
NASA Exoplaner arquive: http://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/
Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Exoplanet
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