– PDF - Ensino de Astronomia

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.