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OS ASTRÓNOMOS ARRISCAM-SE A INTERPRETAR MAL OS SINAIS EXOPLANETÁRIOS DO JWST
23 de setembro de 2022

 


Um estudo do MIT descobriu que os astrónomos arriscam-se a interpretar mal os sinais planetários nos dados do Telescópio Espacial James Webb caso os modelos para interpretar os dados não melhorarem. Nesta imagem conceptual, o telescópio James Webb capta a luz de um planeta recém-descoberto (à esquerda). Contudo, quando os cientistas analisam estes dados, as limitações nos modelos de opacidade podem produzir previsões planetárias que estão desfasadas por uma ordem de magnitude (representados por 3 possíveis planetas à direita).
Crédito: Jose-Luis Olivares, MIT. Ícone do James Webb, cortesia da NASA

 

O Telescópio Espacial James Webb da NASA está a revelar o Universo com uma clareza espetacular e sem precedentes. A visão infravermelha ultranítida do observatório cortou através da poeira cósmica para iluminar algumas das primeiras estruturas do Universo, juntamente com berçários estelares previamente obscurecidos e galáxias giratórias que se encontram a centenas de milhões de anos-luz de distância.

Além de ver mais longe do que nunca no Universo, o JWST vai capturar a visão mais abrangente de objetos na nossa própria Galáxia - nomeadamente, alguns dos 5000 exoplanetas que já foram descobertos na Via Láctea. Os astrónomos estão a aproveitar a precisão do telescópio para descodificar as atmosferas que rodeiam alguns destes mundos próximos. As propriedades das suas atmosferas podem dar pistas sobre como um planeta se formou e se alberga sinais de vida.

Mas um novo estudo do MIT (Massachusetts Institute of Technology) sugere que as ferramentas que os astrónomos tipicamente usam para descodificar sinais baseados na luz podem não ser suficientemente boas para interpretar com precisão os dados do novo telescópio. Especificamente, os modelos de opacidade - as ferramentas que modelam a forma como a luz interage com a matéria em função das propriedades da matéria - podem necessitar de uma refinação significativa a fim de corresponder à precisão dos dados do JWST, dizem os investigadores.

Se estes modelos não forem refinados? Os investigadores preveem que as propriedades das atmosferas planetárias, tais como a sua temperatura, pressão e composição elementar, podem estar erradas por uma ordem de grandeza.

"Existe uma diferença cientificamente significativa entre um composto como a água estar presente a 5% vs. 25%, que os modelos atuais não conseguem diferenciar", diz Julien de Wit, professor assistente no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias do MIT.

"Atualmente, o modelo que usamos para decifrar informação espectral não está à altura da precisão e qualidade dos dados que temos do telescópio James Webb", acrescenta o estudante Prajwal Niraula. "Precisamos de melhorar o nosso jogo e enfrentar juntos o problema da opacidade".

De Wit, Niraula e colegas publicaram o seu estudo na revista Nature Astronomy. Os coautores incluem os especialistas em espectroscopia Iouli Gordon, Robert Hargreaves, Clara Sousa-Silva e Roman Kochanov do Centro para Astrofísica | Harvard-Smithsonian.

Subindo de nível

A opacidade é uma medida da facilidade com que os fotões passam através de um material. Os fotões de certos comprimentos de onda podem passar diretamente através de um material, ser absorvidos ou ser refletidos, dependendo se e como interagem com certas moléculas dentro de um material. Esta interação também depende da temperatura e pressão de um material.

Um modelo de opacidade funciona com base em vários pressupostos de como a luz interage com a matéria. Os astrónomos utilizam modelos de opacidade para derivar certas propriedades de um material, dado o espectro de luz que o material emite. No contexto dos exoplanetas, um modelo de opacidade pode descodificar o tipo e abundância de elementos químicos na atmosfera de um planeta, com base na luz do planeta que um telescópio capta.

De Wit diz que, atualmente, o melhor modelo de opacidade, que ele compara a uma ferramenta clássica de tradução de línguas, tem feito um trabalho decente na descodificação de dados espectrais obtidos por instrumentos como os do Telescópio Espacial Hubble.

"Até agora, esta Pedra de Roseta tem estado OK", diz de Wit. "Mas agora que vamos para o próximo nível com a precisão do Webb, o nosso processo de tradução irá impedir-nos de apanhar subtilezas importantes, tais como as que fazem a diferença entre um planeta ser habitável ou não".

Luz, perturbada

Ele e colegas argumentam este ponto no seu estudo, no qual põem à prova o modelo de opacidade mais frequentemente utilizado. A equipa procurou ver que propriedades atmosféricas o modelo obteria se fosse ajustado para assumir certas limitações na nossa compreensão de como a luz e a matéria interagem. Os investigadores criaram oito modelos "perturbados". Depois alimentaram cada modelo, incluindo a versão real, com "espectros sintéticos" - padrões de luz que foram simulados pelo grupo e semelhantes à precisão que o JWST iria ver.

Descobriram que, com base nos mesmos espectros de luz, cada modelo perturbado produzia previsões abrangentes sobre as propriedades da atmosfera de um planeta. Com base na sua análise, a equipa conclui que, se os modelos de opacidade existentes forem aplicados aos espectros de luz captados pelo telescópio Webb, vão atingir uma "parede de precisão". Ou seja, não serão suficientemente sensíveis para dizer se um planeta tem uma temperatura atmosférica de 300 K ou 600 K, ou se um determinado gás ocupa 5% ou 25% de uma camada atmosférica.

"Essa diferença é importante para que possamos restringir os mecanismos de formação planetária e identificar de forma fiável as bioassinaturas", diz Niraula.

A equipa também descobriu que cada modelo também produziu um "bom ajuste" com os dados, o que significa que, embora um modelo perturbado tenha produzido uma composição química que os investigadores sabiam estar incorreta, também gerou um espectro de luz a partir dessa composição química que estava suficientemente próximo, que se "ajustava" com o espectro original.

"Descobrimos que existem parâmetros suficientes a refinar, mesmo com um modelo errado, para ainda assim obter um bom ajuste, o que significa que não saberíamos que o modelo estava errado e o que está errado no que ele diz", explica de Wit.

De Wit e colegas levantam algumas ideias sobre como melhorar os modelos de opacidade existentes, incluindo a necessidade de mais medições laboratoriais e cálculos teóricos para refinar os pressupostos dos modelos de como a luz e várias moléculas interagem, bem como colaborações entre disciplinas e, em particular, entre a astronomia e a espectroscopia.

"A fim de interpretar de forma fiável os espectros das diversas atmosferas exoplanetárias, precisamos de uma extensa campanha para novas medições e cálculos precisos de parâmetros espectroscópicos moleculares relevantes", diz o coautor do estudo Iouli Gordon, físico do Centro para Astrofísica | Harvard-Smithsonian. "Estes parâmetros terão de ser oportunamente implementados em bases de dados espectroscópicos de referência e, consequentemente, nos modelos utilizados pelos astrónomos".

"Há tanto que poderia ser feito se soubéssemos perfeitamente como a luz e a matéria interagem", acrescenta Niraula. "Sabemos isso suficientemente bem para condições parecidas às da Terra, mas assim que nos deslocamos para diferentes tipos de atmosferas, as coisas mudam, e isso são muitos dados, com qualidade crescente, que nos arriscamos a interpretar mal".

 

 

// MIT (comunicado de imprensa)
// Centro para Astrofísica | Harvard-Smithsonian (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Astronomy)
// Artigo científico (arXiv.org)

Saiba mais

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SPACE.com

Opacidade:
Wikipedia

Exoplanetas:
Wikipedia
Lista de planetas (Wikipedia)
Lista de exoplanetas potencialmente habitáveis (Wikipedia)
Lista de extremos (Wikipedia)
Open Exoplanet Catalogue
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