Como encontrar oceanos em Exoplanetas?

Título: Detecting Ocean Glint on Exoplanets Using Multiphase Mapping

Autores: Jacob Lustig-Yaeger, Victoria Meadows, Guadalupe Tovar Mendoza, et al.

Instituição do primeiro autor: Universidade de Washington, departamento de Astronomia, NASA instituto de laboratório planetário virtual

Status: Publicado na Astronomical Journal (AJ), acesso livre.

Como temos visto em várias publicações aqui no astropontos, a busca por novos exoplanetas é uma das áreas da astronomia mais estudadas atualmente. Em particular, existe um grande interesse em encontrar uma Terra 2.0, um exoplaneta que poderá ser o nosso lar quando o Sol chegar a fase final de vida (que extinguirá toda a vida na Terra).

Atualmente existem cerca de 4.000 exoplanetas já descobertos, muitos destes são rochosos e com grande chances de ser uma Terra 2.0. Entretanto, afirmar que estes exoplanetas possuem uma atmosfera ou assinaturas químicas que sejam similares à Terra é uma tarefa muito difícil, justamente por ser difícil observar em detalhes estes sistemas com os telescópios que temos hoje em dia.

Nas próximas décadas, muitas respostas e provavelmente muitas novas perguntas serão obtidas com as missões espaciais que podem detectar sinais de vida em outros planetas, como o Telescópio Espacial James Webb (JWSP), o Telescópio Espacial Origins (LUVOIR) e outros. Mas, afinal, como seriam esses sinais de vida e o que precisamos para realmente detectar essas bioassinaturas com confiança? Estas são duas das principais questões que os astrônomos enfrentam enquanto se preparam para decidir os próximos grandes telescópios espaciais.

Dado que só temos um exemplo de vida no universo (até o momento), um exoplaneta deve ter propriedades térmicas e químicas similares a da Terra para ser considerado habitável. Uma forma de determinar se um planeta é habitável ou não é estudando a sua atmosfera e, assim, descobrir mais sobre a sua temperatura e sobre do que ele é feito. Podemos coletar muitas informações sobre a atmosfera de um planeta por meio de espectroscopia, por exemplo, quais moléculas podem estar presentes, se há nuvens ou neblinas, qual a sua temperatura e muito mais. Em particular, os projetos recentes estão interessados em encontrar água, oxigênio e outros compostos que sinalizem habitabilidade nas atmosferas desses exoplanetas, ou seja, sinais similares ao que vemos na Terra. No entanto, a espectroscopia de transmissão (do que o JWST será capaz de realizar) só nos permite ver as camadas superiores de uma atmosfera. Isso não é muito interessante para encontrar água, considerando que, na Terra, todo o vapor de água está concentrado nas camadas inferiores da nossa atmosfera (superfície do planeta). O artigo de hoje se concentra em um caminho diferente para encontrar água em exoplanetas: encontrar sinais de oceanos.

Você pode se perguntar: – por que se concentrar em encontrar oceanos? A água é uma das principais necessidades para a formação e manutenção da vida como a conhecemos, e um grande corpo de água (como um oceano) pode ser um precioso indicador de habitabilidade exoplaneta. Grupos de pesquisa como o Laboratório Virtual Planetário estão explorando não apenas bioassinaturas atmosféricas, mas também outros sinais, como a procura de um “brilho do oceano”.

Como um oceano exoplanetário deve parecer?

À medida que um exoplaneta gira em torno de seu próprio eixo, vemos partes diferentes da sua superfície.  Às vezes, uma porção maior do disco do planeta é coberto por terra ou oceano, e consequentemente, isso altera seu espectro geral, ou seja, o seu albedo, como visto na Figura 1.

Além disso, à medida que um exoplaneta gira em torno de sua estrela mãe, podemos ver as partes da superfície iluminada pela luz da estrela sob diferentes ângulos, assim como vemos diferentes fases da Lua a medida que ela gira em torno da Terra. Embora não consigamos resolver as superfícies dos exoplanetas em detalhes, podemos ter uma noção de como cada fatia da superfície é reflexiva à medida que visualizamos as diferentes porções. Ao analisar as curvas de luz dos planetas simulados, os autores recuperam mapas de albedo de superfície (por exemplo, refletividade) em uma técnica chamada “mapeamento multifásico”; dado que a água é mais reflexiva do que a terra – pense no reflexo brilhante do oceano em um dia de praia ensolarado – esses mapas podem ajudar a revelar onde os grandes oceanos estão presentes, como visto na Figura 2.

Os oceanos quando vistos em ângulos indiretos refletem a luz de maneira diferente em um fenômeno conhecido como “brilho”, ou seja parecem mais brilhantes em fases crescentes devido à alta reflexão luminosa dos oceanos. Essa mesma assinatura pode ser observada em exoplanetas. Curiosamente, esse fenômeno não é exclusivo dos oceanos aquáticos – o mesmo brilho pode ser observado em um oceano feito de hidrocarbonetos, como os líquidos presentes em Titã!

Quais telescópios poderiam detectar estes sinais?

Para inferir que tipo de telescópio seria necessário para detectar essas assinaturas, os autores usaram um modelo atmosférico baseado em observações da Terra pela missão EPOXI/NASA para imaginar “a Terra como um exoplaneta”, observado a uma distância de 5 parsecs por um telescópio similar ao usado no espaço atualmente. Estas simulações podem indicar a taxa das detecções de exoplanetas oceânicos a partir de uma determinada missão espacial em função do tamanho do telescópio e outros parâmetros (por exemplo, tamanho da abertura, ângulo interno de trabalho do coronógrafo, entre outros). Geralmente, um tamanho de abertura maior é melhor para detectar estes minúsculos planetas. É importante lembrar que a observação de atmosferas de exoplanetas e oceanos não é uma tarefa fácil, dado o quão pequenos e tênues os planetas habitáveis ​​são, especialmente em comparação com suas estrelas mães mais brilhantes.

Embora a detecção desses oceanos possa ser uma tarefa muito difícil para o JWST, os autores descobriram que com a próxima geração de telescópios espaciais (de 6 a 15 metros como o LUVOIR) será possível realizar esses tipos de detecção. Entretanto, quanto mais exoplanetas com oceanos existirem, maior também será a chance de serem descobertos. Sob essa suposição, os autores prevêem que os futuros grandes telescópios espaciais serão capazes de detectar o brilho oceânico em ~ 1 a 10 exoplanetas da zona habitável ao redor das estrelas G, K e M próximas do Sol.

Detectar sinais de oceanos, habitabilidade ou vida será um grande desafio técnico nas próximas décadas, mas é uma excelente oportunidade para responder a algumas das principais questões da astronomia: existem outros planetas semelhantes à Terra? Estamos sozinhos? O poder do mapeamento multifásico combinado com a detecção ocular do oceano será uma ferramenta útil em nosso kit para determinar a habitabilidade dos exoplanetas com precisão e nos aproximar de responder a estas questões fundamentais.