EXOPLANETAS ENSINO DE ASTRONOMIA UFABC – AULA 10 Victoria Arantes [email protected] Desde 450 a.C. filósofos gregos ponderavam sobre a existência de outros mundos. Em 1440, Nicolau de Cusa, um cardeal da Igreja Católica Romana, argumentou em “Em douta ignorância” que se Deus é infinito, o Universo também é infinito. Disso “conclui-se que não existe centro do Universo, [...] e tampouco existe ponto de referência, tudo é relativo e não existe um lugar de privilégio no Universo”. Argumentou ainda que “como a Terra não pode ser o centro do Universo, então ela não poderia estar livre de todo movimento”. A Terra se movimentaria. Vale mencionar que seus trabalhos influenciaram ninguém menos que Johannes Kepler. Em 1584, o frade católico Giordano Bruno afirmou em seu livro “Acerca do Infinito, do Universo e dos Mundos”, que existiam “incontáveis sóis e incontáveis terras todas girando ao redor dos seus sóis”. E ainda mais, “que, assim como esta Terra, o Sol e os outros astros são também habitados”. Foi acusado por defender a doutrina da infinitude do Universo. Acabou sendo preso e julgado por ainda outras heresias contra a Igreja Católica. Em 1600 foi morto na fogueira da Inquisição Romana. Em 1543, ano da sua morte, Nicolau Copérnico publicou “Da revolução das esferas celestes”, um marco na transição do modelo geocêntrico do Universo para o modelo heliocêntrico. Em 1610, Galileu Galilei utilizando um telescópio construído por ele mesmo, vide aulas anteriores, descobriu as quatro maiores luas de Júpiter (as luas de Galileu), e que o planeta Vênus apresentava fases, fatos importantes publicados no mesmo ano no seu livro “O mensageiro das estrelas”, que o levou a defender o modelo heliocêntrico de Copérnico. Em 1698, Christiaan Huygens publicou Cosmotheoros, um livro que imagina como seria a vida em outros planetas. Em 1750, Thomas Wright, no seu livro “Uma teoria original ou nova hipótese sobre o Universo”, se torna o primeiro a postular que a Via Láctea pode ser um disco massivo de estrelas, e que alguns dos objetos no céu podem ser discos de estrelas similares ao nosso. Em 1925, Edwin Hubble demonstrou a existência de outras galáxias além da Via Láctea, mudando profundamente a maneira como nós enxergamos o Universo. Hoje acredita-se que há pelo menos um planeta para cada estrela (da Via Láctea), em média. A partir disto, podemos perceber que a ideia de vida em outros planetas, ou mesmo a ideia de que os seres humanos e o planeta Terra não são onipotentes, acompanha a historia da astronomia há muito tempo. Entretanto, antes de estudarmos a possibilidade da existência de vida fora da Terra, é necessário que estudemos a possibilidade de existir planetas habitáveis para a vida da forma como a conhecemos, ou seja, precisamos estudar, pesquisar e averiguar tudo sobre os 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. Dos cerca de 5000 candidatos a exoplanetas descobertos até hoje, mais de 3200 foram verificados, dos quais 2325 foram descobertos pelo telescópio espacial Kepler. Essa concepção artística da Via Láctea mostra a localização de um dos mais distantes exoplanetas descoberto, localizado a 13.000 anos-luz de distância: Nomenclatura 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. Este tipo de nomenclatura apresenta problemas para planetas em sistemas de estrelas binárias. Mas em 2014 a International Astronomical Union (IAU) lançou um concurso mundial para clubes de astronomia e organizações sem fins lucrativos darem nomes populares a exoplanetas juntamente com as suas estrelas Hospedeiras. Após algumas etapas previamente organizadas pela IAU, em Janeiro de 2015 esses clubes e organizações iniciaram o envio de propostas para nomes desses planetas e estrelas e o resultado foi divulgado em uma cerimônia especial pública durante a IAU XXIX General Assembly in Honolulu, USA, entre 3 e 14 de Agosto de 2015. Identificando Exoplanetas Apesar da pesquisa de 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, e também de qualquer outro planeta do nosso Sistema Solar. Alguns exoplanetas orbitam suas estrelas a uma distancia 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 orbitas distantes, da ordem de 5 a 30 vezes a distancia da Terra ao Sol (AU). Alguns exoplanetas chegam a orbitar a estrela a menos de um centésimo da distancia da Terra ao Sol. Isso faz com que esses corpos sejam muito quentes –“Júpiteres Quentes” –, bem diferente do que acontece com os planetas gigantes do nosso sistema. Concepção artística do Júpiter Quente HD189733b, um dos exoplanetas mais estudados e mais famoso. Orbita sua estrela-mãe há cerca de 0,03UA. Isso revela a importância de estudarmos esses objetos, pois são relevantes na compreensão da formação de sistemas estelares. O que antes considerávamos padrão – o nosso Sistema Solar –, agora é apenas uma possibilidade que pode evoluir de nuvens de gás e poeira. Ilustração das etapas de formação do nosso Sistema Solar Primeiro aprendemos que a Terra era redonda. Então nós descobrimos que nós não eramos o centro do Cosmos, apenas um planeta orbitando o Sol. Somente 20 anos atrás veio a confirmação doprimeiro exoplaneta encontrado orbitando outra estrela. Agora são 5.000 exoplanetas e contando, e nossa visão do Universo, mais uma vez, mudou para sempre. Existem vários métodos para a detecção de exoplanetas, entre eles abordaremos o método da imagem direta, por efeitos gravitacionais, pelo método da velocidade radial, do trânsito, das microlentes gravitacionais e do “timing”. A técnica utilizada para a detecção dos exoplanetas influencia muito no tipo de planetas que conhecemos até a atualidade. Por exemplo, até pouco tempo 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 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, a 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. 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. Imagem direta do exoplaneta GU Psc b. Um gigante gasoso com uma órbita de 2.000 UA; calcula-se que ele demore 163.000 anos terrestres para completar uma volta ao redor de sua estrela-mãe. Apesar da dificuldade, já existem imagens diretas de exoplanetas. 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. Concepção artística do exoplaneta Fomalhaut b orbitando o seu sol. O texto abaixo trata da controversa gerada quando questionou-se se esse objeto era ou não um exoplaneta. Após reanálise dos dados feitas pelo Hubble, ele é considerado um exoplaneta. Por este método, é possível estimar a temperatura (pela “cor”/espectro) e o tamanho (pelo brilho aparente) do exoplaneta, mas o método não ajuda muito para determinar a massa. O método só serve para encontrar planetas que orbitam as suas estrelas a grandes distâncias (>100 UA). Apesar de ser o método mais direto de detecção, poucos exoplanetas foram encontrados por Imagem Direta. Descoberto em 2009, esse exoplaneta chamado β Pictoris b, está a 63,4 anos-luz de distância, possui cerca de 7 a 11 vezes a massa de Júpiter e sua temperatura efetiva está entre 11.000 e 17.000°C. 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 forca 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 centro de massa, que é o ponto que pode ser pensado como se toda a massa do corpo está concentrada nele para o cálculo de vários efeitos. Como a estrela é muito maior que o planeta, o centro de massa 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. A vantagem dessa técnica é que que ela possibilita estimar a massa do exoplaneta diretamente, ao invés de determinar um limite mínimo. O problema dela é que funciona apenas para estrelas próximas a Terra, e ainda assim, requer equipamentos extremamente acurados para medir as variações muito pequenas na posição da estrela. Velocidade Radial O método de velocidade radial, também conhecido como "método 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). A velocidade radial pode ser deduzida do deslocamento nas linhas espectrais da estrela hospedeira, devido ao efeito Doppler. Temos aqui a luz de uma estrela decomposta em seu espectro eletromagnético, apresentando algumas linhas escuras de absorção. Tais linhas são deslocadas para o vermelho caso a estrela esteja se afastando do observador, e para o azul caso se aproxime. Isto mostra que a estrela está se movendo em relação ao observador na Terra. Já que a influência 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, as vezes chamado de “Júpiteres Quentes”, que é predominantemente encontrado por este método. O método também favorece a detecção de planetas com órbitas paralelas a linha de visada, e fornece um limite inferior para a massa do exoplaneta. Até o final de 2011, a velocidade radial era o método de detecção de exoplanetas de maior sucesso. Essa técnica sozinha detectou da ordem de 800 de todos os exoplanetas encontrados. Eclipse Exoplanetário A técnica mais bem sucedida atualmente para detectar exoplanetas é o chamado método de trânsito. O "trânsito" em Astronomia refere-se à passagem de um astro em frente de um outro. Ele funciona apenas com uma pequena percentagem de exoplanetas cujos planos orbitais estejam perfeitamente alinhados com nossa linha de visada, mas pode ser aplicado mesmo a estrelas muito distantes. 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 isso, é muito difícil detectar planetas pequenos (do tamanho da Terra!). À direita, um dado experimental mostrando o fluxo de energia por horas do exoplaneta Kepler-20e (falaremos mais dele adiante). Combinando os métodos da velocidade radial e de trânsito, dá para determinar a massa, o raio e o raio orbital de um exoplaneta. Algo interessante, porém nem sempre abordado é que além do eclipse primário - que ocorre quando o exoplaneta passa a frente da estrela -, podemos buscar também identificar um eclipse secundário - quando o exoplaneta passa atrás da estrela, e portanto é completamente ocultado por ela – no caso de planetas dos quais recebemos (e reconhecemos) a radiação térmica emitida. Podemos observar durante o eclipse secundário a radiação térmica desaparecer e reaparecer quando o exoplaneta começa e termina de passar por trás da estrela, respectivamente. Microlentes Gravitacionais A atração gravitacional causada por uma estrela ou um planeta curva a luz, assim como fazem as lentes de óculos. 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. 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. Nesse e no slide anterior é possível ver a intensificação da lente gravitacional na presença de um exoplaneta. • Link para experimento a partir de aplicativo da Nasa para exemplificar a detecção de exoplanetas através de microlentes gravitacionais: http://kepler.nasa.gov/multimedia/Interactives/lightgrapher/li ghtgrapher_cfm.cfm Timing A presenca de um exoplaneta pode afetar fenômenos temporais da estrelamãe ou de outros planetas presentes (e talvez já detectados), por exemplo a órbita do(s) outro(s) planeta(s); as frequências das pulsações da estrela, caso esta seja uma estrela variável; as emissões de pulsos da estrela, caso esta seja um pulsar, etc. Concepção artística do exoplaneta 51 Pegasi b, um exoplaneta descoberto em 1992 por Aleksander Wolszczan orbitando o pulsar PSR B1257+12 a 50 anos-luz da Terra, e confirmado em 1995. o ano passado, forneceu só cinco detecções, mas o primeiro exoplaneta confirmado foi um destes cinco). Zona Habitável Região do ao redor de uma estrela onde o nível de radiação emitida pela mesma permitiria a existência de agua líquida na superfície de um planeta/satélite natural que ali se encontre, sem que os oceanos fervam por causa da estrela estar perto de mais, e sem que os oceanos congelem pela estrela estar longe de mais. A Terra, por exemplo, está no interior deste limite. Tal conceito hoje é muito popular e aceito pela comunidade científica como um dos fatores que podem indicar se um corpo celeste pode ou não abrigar vida tal como a que evoluiu na Terra. A zona habitável está situada entre 0 °C (273 K) e 100 °C (373 K), as temperaturas de congelamento e evaporação da água, e pode ser calculado pela fórmula: Onde: • R = distância da estrela • L = A luminosidade da estrela em watts • T = A temperatura em Kelvin • = constante de Stefan-Boltzmann, que vale • = 3.14159... Possíveis indicadores de vida em Exoplanetas • Residir em uma zona habitável em torno da estrela • Sua estrela não pode ser muito ativa. • Possuir idade suficiente para evolução da vida. • Possuir uma superfície sólida ou líquida. • Possuir água? • Possuir gases atmosféricos produzidos por reações biológicas, como o gás metano e ozônio? • Possuir gás oxigênio? • Possuir características que na Terra são produzidas pelos seres vivos, como a ausência do carbono na atmosfera e a presença de clorofila devido as plantas? • Possuir campo magnético intenso, assim como a Terra. Um dos primeiros sistemas a ser descoberto e que merece destaque é o Sistema Gliese 581 a 20,4 anos-luz da Terra na constelação de Libra. O exoplaneta Gliese 581 b foi descoberto em Novembro de 2005, mas o exoplaneta que recebeu maior atenção da comunidade científica foi o Gliese 581 c, descoberto em 2007 e apontado como o provável primeiro exoplaneta potencialmente habitável. Atualmente esse sistema conta com 6 exoplanetas. A estrela Kepler-10 encontra-se a 564 anos-luz de distância da Terra. Entre Maio de 2009 e Janeiro de 2010 dados colhidos pela sonda Kepler convergiam para o fato de que existiria um exoplaneta nesse sistema. A descoberta foi anunciada em 2011. Exoplaneta Kepler10b: o menor planeta rochoso até Janeiro de 2011com 1.4 raio da Terra Kepler-20e (a esquerda) e Kepler-20f (a direita). Dois exoplanetas na zona habitável. Os menores exoplanetas confirmados até 21 de Dezembro de 2011 ao redor de uma estrela como o Sol. Kepler-22b: Mais perto de encontrar outra Terra Que tal pensar um pouco fora da caixinha? Kepler-186f, o primeiro exoplaneta do tamanho da Terra na zona habitável Em resumo, o primeiro exoplaneta menor que a Terra, Kepler-20e, foi descoberto em Dezembro de 2011, orbitando uma estrela como o Sol, mas ligeiramente mais fria e menor. Porém, ele é muito quente e incapaz de manter uma atmosfera ou um oceano de água em estado líquido. Kepler-22b foi anunciado no mesmo mês, como o primeiro exoplaneta na zona habitável de uma estrela como o Sol, mas sendo duas vezes maior que o tamanho da Terra e, portanto, susceptível de ter uma superfície sólida. O Kepler-186f foi descoberto em Abril de 2014 e é o primeiro exoplaneta de tamanho similar ao da Terra encontrado na zona habitável de uma pequena e fria estrela do tipo M, com cerca de metade do tamanho e massa solares. Kepler-452b é o primeiroexoplaneta próximo à Terra em tamanho na zona habitável deuma estrela muito parecida com o Sol. 20 anos da confirmação do exoplaneta 51 Pegasi b Descoberto em Outubro de 2013 usando o método de imagem direta, o PSO J318.5-22 pertence a uma classe especial de planetas chamados solitários, ou planetas flutuando livremente. Vagando sozinho pela Galáxia, ele não orbita nenhuma estrela-mãe. Pouco é conhecido sobre como esse tipo de planetas vieram a existir, mas os cientistas teorizam que eles devem ser ou estrelas que falharam ou planetas ejetados dos seus jovens sistemas depois de um encontro com outro planeta. Esses planetas solitários brilham fracamente com o calor da sua formação. Uma vez que esfriarem, eles irão dançar no escuro. "PSO J318.5-22 Onde a vida noturna nunca acaba." Duas vezes maior em volume que a Terra, o HD 40307g fica na linha entre as “Super Terras” e os “mini Netunos” e os cientistas não tem certeza se ele tem uma superfície rochosa ou uma que está enterrada sobre grossas camadas de gás e gelo. Embora uma coisa seja certa: com cerca de oito vezes a massa da Terra, sua atração gravitacional é muito, muito mais forte. ''Experimente a Gravidade de uma Super Terra." Como o planeta "Tatooine" do Luke Skywalker de Star Wars, Kepler-16b orbita um par de estrelas. Retratado aqui como um planeta terrestre, Kepler-16b pode também ser um gigante gasoso como Saturno. As perspectivas para vida neste mundo incomum não são boas, uma vez que tem uma temperatura similar ao do gelo seco. Mas a descoberta indica que o icônico duplo pôr do sol do filme não é nada de ficção científica. ''Relaxe em Kepler-16 b Onde sua sombra sempre tem companhia.'' Kepler-186f foi o primeiro planeta do tamanho da Terra descoberto na potencial “zona habitável” ao redor de outra estrela, onde água líquida poderia existir na superfície do planeta. Sua estrela é muito mais fria e vermelha que o nosso Sol. Se vida vegetal existe em um planeta como o Kepler-186f, sua fotossíntese poderia ter sido influenciada pelos fótons de comprimento de onda vermelhos da estrela, para fazer uma paleta de cores que é muito diferente dos verdes na Terra. Essa descoberta foi feita pelo Kepler, telescópio caça planetas da NASA. ''Kepler-186f Onde a grama é sempre mais vermelha no outro lado.'' Curiosidade: Exolua Em 2014 a primeira candidata a exolua foi encontrada, mas infelizmente não teremos a chance de observá-la novamente como segundo David Bennett da Universidade de Notre Dame, autor do artigo científico no qual a descoberta foi publicada. O motivo para não podermos observá-la novamente é que sua descoberta ocorreu pelo método de microlentes gravitacionais, num sistema chamado MOA-2011-BLG-262. Mas como o próprio David apontou, ao menos agora “nós podemos esperar mais descobertas inesperadas como essa” Curiosidade: Missão TESS Com lançamento previsto para 2017, Transiting Exoplanet Survey Satellite TESS é uma missão astrofísica projetada para usar quatro câmeras para observar todo o céu, em busca de planetas fora do nosso Sistema Solar, conhecidos como exoplanetas. A missão irá monitorar mais de 500.000 das mais brilhantes estrelas do céu, procurando por diminuições na claridade das estrelas o que poderia indicar um planeta atravessando seu caminho. TESS prevê encontrar mais de 3.000 candidatos a exoplanetas, que vão desde gigantes gasosos até pequenos planetas rochosos. Espera-se que cerca de 500 desses planetas sejam do tamanho da Terra. As estrelas monitoradas pelo TESS serão de 30 a 100 vezes mais brilhantes que aquelas observadas pela sonda espacial Kepler, fazendo com que as observações de acompanhamento sejam muito mais fáceis. Usando os dados do TESS, missões como o James Webb Space Telescope podem determinar características específicas desses planetas, incluindo a possibilidade deles poderem suportar vida. Para saber mais sobre o TESS: http://tess.gsfc.nasa.gov/ Veja o vídeo no Youtube: https://www.youtube.com/watch? v=ZsPStvGgNuk Últimos 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 dezembro de 2013 detectaram o primeiro candidato a exolua de um planeta “flutuando livremente” Aula baseada nos slides dos anos anteriores do Pieter e do Emersson, cujo deixo aqui registrado meu agradecimento! Leitura/Vídeo Complementar: Planetas no Caos: Fonte em português - http://www.universoracionalista.org/planetas-no-caos Fonte em inglês - http://www.nature.com/news/astronomy-planets-in-chaos-1.15480 Exoplanetas Nerdologia: https://www.youtube.com/watch?v=d_5_MAqsPOM Teste: 1. O que são Exoplanetas? A) Planeta gasoso do Sistema Solar B) Planeta que pertence a um sistema planetário diferente do nosso C) Uma lua de outro sistema planetário 2. Todo Exoplaneta é habitável? A) Não B) Sim Teste: 3. O que é uma zona habitável? A) Uma das camadas da Terra B) Local onde existem planetas com vida C) Região de um sistema planetário onde pode existir água líquida 4. O fenômeno de microlentes gravitacionais permite: A) Encontrar exoplanetas através de picos de luminosidade da estrela-mãe. B) Encontrar exoplanetas através de imagem direta C) Medir variações na velocidade com a qual a estrela se afasta ou se aproxima de nós.