NOVA TÉCNICA PARA MEDIR MASSA DE EXOPLANETAS
24 de Dezembro de 2013
Até à data, os cientistas detectaram a existência de mais de 1000 exoplanetas em órbita de outras estrelas que não o nosso Sol. Para determinar se estes mundos distantes são habitáveis, precisamos de saber a sua massa - o que pode ajudar os cientistas a discernir se o planeta é feito de gás ou rocha e outros materiais de apoio à vida.
Mas as técnicas actuais para estimar a massa exoplanetária são limitadas. A velocidade radial é o principal método usado pelos cientistas: pequenas oscilações na órbita da estrela à medida que é puxada pela força gravitacional do planeta, a partir das quais os cientistas podem derivar a relação de massa entre o planeta e a estrela. Para planetas muito grandes, com o tamanho de Neptuno, ou mais pequenos como a Terra orbitando muito próximo de estrelas brilhantes, a velocidade radial funciona relativamente bem. Mas a técnica tem menos sucesso com planetas mais pequenos que orbitam mais longe das suas estrelas, tal como a Terra.
Agora, cientistas do MIT (sigla inglesa para Massachusetts Institute of Technology ou Instituto de Tecnologia do Massachusetts) desenvolveram uma nova técnica para determinar a massa de planetas extra-solares, usando apenas o seu sinal de trânsito - diminuições na luz à medida que um planeta passa em frente da sua estrela. Esta informação tem sido tradicionalmente usada para determinar o tamanho de um planeta e suas propriedades atmosféricas, mas a equipa do MIT descobriu uma maneira de interpretá-la de tal forma que também revela a massa do planeta.
"Com este método, percebemos que a massa planetária - um parâmetro chave que, se ausente, poderia ter-nos impedido de avaliar a habitabilidade do primeiro planeta tipo-Terra potencialmente habitável na próxima década - será realmente acessível, juntamente com as propriedades atmosféricas," afirma Julien de Wit, estudante graduado do Departamento da Terra, Ciências Atmosféricas e Planetárias do MIT.
De Wit é o autor principal de um artigo publicado a semana passada na revista Science, em conjunto com a co-autora Sara Seager.
Estimando a massa a partir da luz
Além da composição de um planeta, a sua massa pode fornecer um vislumbre da superfície do planeta e da sua actividade interna.
"A massa afecta tudo a um nível planetário, tal como placas tectónicas, o seu arrefecimento interno e convecção, o modo como gera campos magnéticos, e se o gás escapa da sua atmosfera," realça de Wit. "Se não a obtivermos, uma grande parte das propriedades do planeta permanece indeterminada."
Usando grandes telescópios como o Spitzer ou o Hubble, os cientistas foram capazes de analisar o espectro de transmissão de exoplanetas recém-descobertos. Um espectro de transmissão é gerado à medida que um planeta passa em frente da sua estrela, deixando escapar um pouco de luz pela sua atmosfera. Ao analisar os comprimentos de onda de luz que passam pela atmosfera, os cientistas conseguem determinar as propriedades atmosféricas de um planeta, tais como a temperatura e a densidade de moléculas atmosféricas. Da quantidade total de luz bloqueada, podem calcular o tamanho de um planeta.
Para determinar a massa de um exoplaneta usando espectroscopia de transmissão, de Wit contou com o efeito que a massa de um planeta tem na sua atmosfera, pois os espectros de transmissão dão informações sobre as propriedades atmosféricas do planeta. Para tal, trabalhou a partir de uma equação padrão que descreve o efeito da temperatura, força gravitacional e densidade atmosférica de um planeta sobre o seu perfil de pressão atmosférica - o modo como a pressão muda ao longo da sua atmosfera.
De acordo com esta equação, sabendo qualquer destes três parâmetros revelaria o quarto parâmetro. Dado que a massa de um planeta pode ser derivada a partir da sua força gravitacional, de Wit fundamenta que a massa de um planeta por ser derivada a partir da sua temperatura atmosférica, perfil de pressão e densidade - parâmetros que, em princípio, podem ser obtidos a partir de um espectro de transmissão.
Mas, para obter uma medição precisa da massa do planeta, de Wit teve que provar que estes três parâmetros podiam ser obtidos independentemente uns dos outros, somente a partir de um espectro de transmissão.
Descobrindo a massa de um planeta
Para provar que a temperatura, perfil de pressão e densidade atmosférica de um planeta podem ser derivadas de forma independente a partir de um espectro de transmissão, de Wit teve que demonstrar que cada parâmetro tem um efeito marcante num espectro de transmissão. De Wit realizou novas derivações analíticas a partir dos primeiros princípios de transferência radiativa, e descobriu uma constante matemática do século XVIII, com o nome de constante Euler-Mascheroni, que ajuda a revelar os efeitos individuais de cada parâmetro. Por outras palavras, esta constante actua como uma "chave de encriptação" para descodificar o processo pelo qual as propriedades da atmosfera de um planeta são incorporadas no seu espectro de transmissão.
"Isto realmente ajuda a desbloquear tudo e revela, de todas estas equações malucas, que propriedades atmosféricas fazem o quê, e como," comenta de Wit. "Encontramos esta constante numa série de problemas físicos, e é divertido vê-la aparecer novamente na ciência planetária."
Para testar o método, de Wit aplicou a técnica a um exoplaneta recém-descoberto, conhecido como HD 189733 b, localizado a 63 anos-luz de distância. Com os seus cálculos, de Wit obteve a mesma medição de massa como a obtida por outros usando a velocidade radial.
Usando as especificações dos futuros telescópios espaciais de alta resolução, como o Telescópio Espacial James Webb - um instrumento concebido para estudar atmosferas exoplanetárias - os autores mostraram que a nova técnica será capaz de caracterizar a massa e propriedades atmosféricas de planetas mais pequenos, do tamanho da Terra.
Mark Swain, cientista do JPL da NASA, diz que a nova técnica do grupo será muito útil na determinação da composição e, finalmente, na habitabilidade, de planetas semelhantes à Terra.
"A massa é uma peça muito importante do puzzle," realça Swain, que não esteve envolvido na investigação. "Se descobrirmos que a composição de um planeta é quase certamente sólida, isso exigiria uma quantidade significativa de água misturada com um núcleo de silicato, e se soubéssemos que tinha temperaturas de zona habitável, teríamos um bom caso para estudos mais aprofundados desse mundo, porque teria o que parecem ser os ingredientes de um planeta habitável."
Impressão de artista do espectro de transmissão de um planeta.
Crédito: Christine Daniloff/MIT, Julien de Wit
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Impressão de artista do planeta extrasolar com o tamanho de Júpiter, HD 189733b. A atmosfera do planeta tem uma temperatura superior a 1000 graus Celsius, e chove vidro, de lado, com ventos de 7000 km/h.
Crédito: ESA, NASA, M. Kornmesser (ESA/Hubble), e STScI
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