A busca pelos reflexos de sóis em oceanos muito, muito distantes

O brilho do Sol refletido pelo Lago Erie. Crédito: Image Science and Analysis Laboratory/NASA JSC.

Enquanto ainda estamos no início do jogo de tentarmos detectar os sinais de vida em planetas distantes, faz sentido focarmos no tema “habitabilidade na superfície do exoplaneta” e é por isso que os oceanos se tornam tão interessantes. Naturalmente, nós podemos imaginar biosferas em potencial sob o espesso gelo que envolve Europa (lua de Júpiter, onde há o dobro da água de todos os mares da Terra) ou até mesmo nos oceanos sub-superficiais de Enceladus (lua de Saturno). Porém, dada a situação tecnológica corrente de nossos instrumentos e a longa distância aos nossos alvos exoplanetários, seguir na captura do óbvio provavelmente é o que faz mais sentido. E o óbvio significa olhar para oceanos como os do nosso planeta. Um esforço significativo da missão EPOXI nos deu alguns dos parâmetros para estudar exoplanetas similares a Terra, por meio da fotometria de multi-comprimento de onda.

Missão EPOXI

EPOXI é o prolongamento da missão realizada pela nave espacial Deep Impact que levou um módulo de impacto ao cometa Tempel 1 em 2005 e agora está a caminho de cometa Hartley 2. Suas visões da Terra estão sendo usadas para ajudar os cientistas a se preparar para os estudos dos mundos terrestres em torno de outras estrelas.. Exoplanetas com grandes massas de água líquida ou congeladas devem refletir a luz de sua estrela de forma bem diferente da dos exoplanetas secos e ao observar as fases do exoplaneta, visto da Terra, as mudanças na refletividade poderão ser medidas. EPOXI nos mostrou que podemos fazer observações úteis em diferentes pontos de rotação da Terra. Também vimos reflexos especulares em Titã e agora o foco é sobre o que mais podemos aprender para nos ajudar a explorar esse fenômeno.

PIA12481 – reflexo do Sol em Titã detectado pela sonda Cassini. Crédito: NASA/missão Cassini

Tyler Robinson (Universidade de Washington) tem se envolvido no estudo de tais reflexos para ajudar a encontrar uma ‘Terra gêmea’ em algum lugar entre as estrelas próximas. Em suas pesquisas, Robinson e sua equipe têm usado o Laboratório Planetário Virtual (Virtual Planetary Laboratory) do Instituto de Astrobiologia da NASA, que permite aos cientistas modelarem a Terra, da forma como esta deveria aparecer para um observador distante, seguindo o progresso do nosso planeta através de uma órbita inteira. Os cientistas perceberam que em uma variedade de simulações a luminosidade da Terra (“glinting Earth”) pode ser até 100% mais brilhante na fase crescente do que quando modelados sem o efeito de brilho, um resultado que poderá ser observado futuramente com o Telescópio Espacial James Webb. Rodrigues descreveu este brilho colorido para BBC News :

O brilho acentuado do qual estou falando consiste praticamente no mesmo efeito de reflexão que nós observamos em um lindo pôr do sol sobre o oceano. Com o Sol baixo no horizonte, os raios de sol entram e são refletidos em nossa direção a partir da superfície do oceano a qual atua como um espelho e você consegue ver um belíssimo pôr do sol avermelhado.

Observando o reflexo especular de oceanos distantes…

Assim, agora sabemos que este efeito de brilho (um “reflexo especular”, para ser mais preciso), poderá produzir grandes alterações na luminosidade do exoplaneta observado. Para conseguir observar isto, porém, o JWST terá que contar com o uso de um dispositivo de ocultação externo para ser capaz de detectar um planeta brilhando, um equipamento que age escudo para bloquear a luz das estrelas e permitir revelar seus tênues exoplanetas. Além disso, este o novo trabalho busca nos informar quais serão os comprimentos mais propensos a produzir bons resultados. No trecho a seguir os autores quais freqüências serão a mais úteis no contexto do espalhamento Rayleigh, o espalhamento de luz por partículas menores que o comprimento de onda da luz, que devem ser incorporados na análise:

Em fases crescentes, os comprimentos dos caminhos da luz através da atmosfera são relativamente grandes e a profundidade óptica do espalhamento Rayleigh pode ser maior do que 1 mesmo em comprimentos de onda mais longos. Isso indica que as observações que visam detectar o excesso de brilho devido ao reflexo devem ser feitas em comprimentos de onda na faixa próxima ao infravermelho. O brilho da Terra cai por uma ordem magnitude entre os comprimentos de onda de 1 a 2 μm (micrômetros), sugerindo que a procura pelo brilho deve ocorrer abaixo de 2 μm para obtermos uma maior relação sinal-ruído (SNR) nas detecções. Uma vez que o reflexo é uma ampla característica nos diversos comprimentos de onda (trata-se do espectro solar refletido, modulado pelo espalhamento Rayleigh, absorção de água líquida na superfície e com a absorção atmosférica), a fotometria pode ser usada para detectar o brilho desde que as características de absorção fortes sejam evitadas.

Tudo isso é informação útil à medida que adicionamos os itens que necessitamos para a detecção de habitabilidade em nossa caixa de ferramentas. Podemos levar em conta o fato de que o tamanho de um ‘ponto de reflexo’ em comparação com a porção iluminada do disco é maior na fase crescente e adicionar no fato de que a refletividade da água aumenta se olharmos em ângulos agudos de iluminação.

E as nuvens e o cristais de gelo?

Por outro lado, devemos também levar em consideração como o efeito de brilho pode ser repetido por líquido e cristais de gelo nas nuvens altas.

Este novo trabalho de acompanhamento das nuvens altas e seus usos na detecção será apresentado em Outubro na Divisão de Ciências Planetárias reunião em Pasadena, e será abordado aqui no próximo mês.