DETECÇÃO DE VAPOR DE ÁGUA NA ATMOSFERA DE UM JÚPITER QUENTE
28 de Fevereiro de 2014
Embora a água líquida cubra a maioria da superfície da Terra, os cientistas ainda estão à procura de planetas para lá do nosso Sistema Solar que contenham água. Investigadores do Caltech e de várias outras instituições usaram uma nova técnica para analisar as atmosferas gasosas de exoplanetas e fizeram a primeira detecção de água na atmosfera do planeta com a massa de Júpiter que orbita a estrela próxima tau Boötis. Com mais desenvolvimento e instrumentos mais sensíveis, esta técnica pode ajudar os cientistas a determinar quantos planetas com água - como a Terra - existem na nossa Galáxia. Os novos resultados foram publicados na edição online da revista The Astrophysical Journal Letters de 24 de Fevereiro.
Os cientistas já tinham anteriormente detectado vapor de água num punhado de outros planetas, mas estas detecções só puderam ocorrer sob circunstâncias muito específicas, realça a estudante Alexandra Lockwood, primeira autora do estudo. "Quando um planeta transita (ou passa em frente) a sua estrela, podemos utilizar as informações deste evento para detectar vapor de água e outros compostos atmosféricos. Alternativamente, se o planeta está suficientemente longe da sua estrela-mãe, também podemos aprender mais sobre a atmosfera de um planeta através da captura de imagens."
No entanto, uma parte significativa da população de exoplanetas não se encaixa em qualquer um destes critérios, e não havia realmente uma maneira de encontrar informações sobre as atmosferas destes planetas. Para resolver este problema, Lockwood e o seu assessor Geoffrey Blake, professor do cosmoquímica e ciências planetárias e professor de química, aplicaram uma nova técnica para encontrar água numa atmosfera planetária. Outros pesquisadores já haviam anteriormente usado abordagens semelhantes para detectar monóxido de carbono em tau Boötis b.
O método utiliza a técnica de velocidade radial - uma técnica normalmente usada na região visível do espectro, à qual os nossos olhos são sensíveis - para descobrir exoplanetas que não transitam a sua estrela. Usando o efeito Doppler, a detecção por velocidade radial determina o movimento de uma estrela devido à atracção gravitacional de um planeta companheiro; a estrela tem o movimento oposto do movimento orbital do planeta, e as características estelares mudam em termos de comprimento de onda. Um grande planeta ou um planeta mais próximo da estrela-mãe proporcionam uma mudança maior.
Lockwood, Blake e colegas alargaram a técnica de velocidade radial para o infravermelho para determinar a órbita de tau Boötis b em torno da sua estrela, e analisaram mais profundamente as mudanças de luz através de espectroscopia - uma análise do espectro de luz. Uma vez que cada composto emite um diferente comprimento de onda, esta assinatura única de luz permite com que os cientistas analisem as moléculas que compõem a atmosfera do planeta. Usando dados de tau Boötis b obtidos pelo NIRSPEC (Near Infrared Echelle Spectrograph) do Observatório W. M. Keck no Hawaii, os pesquisadores foram capazes de comparar a assinatura molecular da água com o espectro de luz emitido pelo planeta, confirmando que a atmosfera, de facto, inclui vapor de água.
"A informação que recebemos do espectrógrafo é como ouvir a performance de uma orquestra; ouvimos toda a música, mas se a ouvirmos atentamente, conseguimos destacar uma trompeta ou um violino ou um violoncelo, e sabemos que estes instrumentos estão presentes," comenta. "Com o telescópio, vemos toda a luz junta, mas o espectrógrafo permite-nos escolher diferentes peças; este comprimento de onda significa a existência de sódio, aquele a existência de água."
Além de usar a técnica espectrográfica para estudar a composição atmosférica do planeta, o método também fornece uma maneira para os cientistas analisarem a massa de planetas. "São, na verdade, dois resultados diferentes, mas ambos são muito emocionantes," realça Lockwood. "Quando fazemos cálculos à procura da assinatura atmosférica - que nos indica a presença de água - também determinamos o movimento tridimensional da estrela e do planeta no sistema. Com esta informação, se também dispomos da massa da estrela, conseguimos determinar a massa do planeta," ela acrescenta.
Os métodos anteriores de velocidade radial para a medição da massa de um planeta apenas podiam determinar um indicativo de massa - uma estimativa da sua massa mínima, que poderia ser muito menor do que a sua massa real. Esta nova técnica fornece uma maneira de medir a verdadeira massa de um planeta uma vez que tanto a luz da estrela como a do planeta são detectadas, o que é fundamental para a compreensão de como os planetas e os sistemas planetários se formam e evoluem.
Embora a técnica prometa melhorar a análise das propriedades dos exoplanetas pelos cientistas planetários, estes realçam que tem limitações. Por exemplo, esta técnica está actualmente reduzida aos chamados "Júpiteres quentes", planetas gigantes gasosos como tau Boöotis b - exoplanetas grandes que orbitam muito perto da sua estrela hospedeira.
"A técnica está limitada pela capacidade de recolha de luz e pela gama de comprimentos de onda do telescópio, e mesmo com a incrível área de recolha do espelho do Observatório Keck no cume alto e seco do Mauna Kea, basicamente apenas podemos analisar planetas quentes que orbitam estrelas brilhantes, mas poderá alargar-se no futuro à medida que a tecnologia dos telescópicos e dos espectrógrafos infravermelhos avança," afirma Lockwood. No futuro, além de analisar planetas mais frios e estrelas mais ténues, os cientistas planeiam continuar procurando e analisando a abundância de outras moléculas que possam estar presentes na atmosfera de tau Boötis b.
"Embora no estado actual da técnica, esta não permita detectar planetas tipo-Terra em torno de estrelas como o Sol, com o Keck conseguiremos em breve estudar as atmosferas das chamadas 'super-Terras', planetas descobertos em torno de estrelas de baixa massa, muitos dos quais não transitam," realça Blake. "Os telescópios do futuro, como o Telescópio Espacial James Webb e o TMT (Thirty Meter Telescope) permitir-nos-ão examinar planetas muito mais frios que estão mais longe das suas estrelas e onde a água líquida tem maior probabilidade de existir."
Dados simulados que mostram o método usado para detectar vapor de água em torno do "Júpiter quente" Tau Boötis b. Neste exemplo, a força do sinal planetário foi ampliada várias ordens de magnitude relativamente ao sinal original. As linhas tracejadas mostram o desvio para o azul e desvio para o vermelho das linhas planetária e estelar nos dados, respectivamente.
Crédito: Alexandra Lockwood/Caltech
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