Nova técnica permite determinar massa de exoplanetas quando os demais métodos falham

Cientistas do MIT criaram uma técnica inédita para deduzir a massa de um exoplaneta a partir das informações de temperatura, perfil de pressão e densidade atmosférica, propriedades dedutíveis a partir do espectro de transmissão. Créditos: Christine Daniloff / MIT – Julien de Wit

Até junho de 2014, os cientistas já detectaram a existência de quase 1.800 exoplanetas em mais de 1.100 sistemas extrasolares. Para determinar se estes mundos distantes são potencialmente habitáveis, precisamos conhecer sua massa. Tal informação pode ajudar os cientistas a discernir se o exoplaneta é feito de gás ou rocha e outros materiais que suportam a vida.

Entretanto, infelizmente, as técnicas atuais para estimar a massa exoplanetária são limitadas. A velocidade radial é o principal método usado pelos cientistas: análise das pequenas oscilações na órbita da estrela à medida que é puxada pela força gravitacional do exoplaneta. Com essas medidas os cientistas podem derivar a relação da massa entre o exoplaneta e sua estrela hospedeira. Para exoplanetas muito grandes, com o tamanho de Netuno ou maiores, ou para corpos menores como a Terra, orbitando muito próximo de estrelas brilhantes, a velocidade radial funciona relativamente bem. Infelizmente, a técnica tem menos sucesso com exoplanetas menores que orbitam relativamente afastados de suas estrelas, tal como a Terra o faz.

Cientistas do MIT (Massachusetts Institute of Technology) desenvolveram uma nova técnica para determinar a massa de exoplanetas, usando apenas o seu sinal de trânsito (diminuições na luz estelar à medida que um exoplaneta passa em frente da mesma). Esta informação tem sido tradicionalmente utilizada para apurar o diâmetro e propriedades atmosféricas de um exoplaneta. Agora, a equipe do MIT descobriu uma maneira inédita de interpretar os trânsitos de tal maneira que se consegue também estimar a massa do exoplaneta.

Julien de Wit, estudante do Departamento da Terra, Ciências Atmosféricas e Planetárias do MIT, autor principal do artigo científico publicado na revista Science, em conjunto com a coautora Sara Seager, explicou:

Com este método, notamos que a massa do exoplaneta (um parâmetro chave que, se ausente, nos impossibilitaria de avaliar a habitabilidade de exoplanetas tipo-Terra) se torna, de fato, acessível, junto com suas propriedades atmosféricas.

Estimando a massa do exoplaneta a partir da luz

Além da composição geológica de um exoplaneta, sua massa pode fornecer um vislumbre da superfície do exoplaneta e da sua atividade interna.

Wit destacou:

A massa afeta praticamente tudo em nível planetário, tal como o comportamento das placas tectônicas, o seu esfriamento interno e a convecção, o modo como são gerados os campos magnéticos e ainda, como o gás escapa da sua atmosfera. Se não a medirmos, uma grande parte das propriedades do exoplaneta permanecerá indeterminada.

Usando telescópios espaciais poderosos 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 exoplaneta 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 exoplaneta, tais como a temperatura e a densidade de moléculas atmosféricas. Da quantidade total de luz bloqueada, podem deduzir o tamanho de um exoplaneta.

Exoplanetas explicados…

Para determinar a massa de um exoplaneta usando espectroscopia de transmissão, Wit se baseou no efeito que a massa de um exoplaneta tem sobre sua atmosfera, pois os espectros de transmissão fornecem informações sobre as propriedades atmosféricas do exoplaneta. Para tal, Wit trabalhou a partir de uma equação padrão que descreve o efeito da temperatura, da força gravitacional e da densidade atmosférica de um exoplaneta 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 exoplaneta pode ser derivada a partir da sua força gravitacional, Wit fundamenta que a massa de um exoplaneta por ser derivada a partir da sua temperatura atmosférica, perfil de pressão e densidade. Estes três parâmetros, em princípio, podem ser obtidos a partir do espectro de transmissão de um exoplaneta.

Mas, para obter uma medição precisa da massa do exoplaneta, Wit teve que provar que estes três parâmetros poderiam ser obtidos independentemente uns dos outros, a partir do espectro de transmissão.

Desvendando a massa de um exoplaneta

Para provar que a temperatura, perfil de pressão e densidade atmosférica de um exoplaneta podem ser derivadas de forma independente a partir de um espectro de transmissão, Wit teve que demonstrar que cada parâmetro tem um efeito marcante no espectro de transmissão. Wit realizou novas derivações analíticas a partir dos primeiros princípios de transferência radiativa e descobriu uma constante matemática do século XVIII, conhecida como constante Euler-Mascheroni, que ajudou a revelar os efeitos individuais de cada parâmetro. Em outras palavras, esta constante atua como uma “chave de encriptação” para decodificar o processo pelo qual as propriedades da atmosfera de um exoplaneta são incorporadas no seu espectro de transmissão.

Wit comentou:

Isto realmente ajuda a desbloquear tudo e revelar, a partir destas ‘equações malucas’, o que as propriedades atmosféricas fazem e como fazem. Encontramos uma constante em uma série de problemas físicos e é divertido vê-la aparecer novamente na ciência planetária.

A técnica foi aplicada ao exoplaneta extrasolar com o tamanho de Júpiter, HD 189733b. A atmosfera do exoplaneta tem uma temperatura superior a 1.100K, onde chove vidro, de um dos lados, com ventos de 7.000 km/h. Créditos: ESA, NASA, M. Kornmesser (ESA/Hubble) e STScI

Para testar o método, Wit aplicou a técnica a um exoplaneta recém-descoberto, o HD 189733b, que reside a 63 anos-luz de distância. Com os seus cálculos, Wit obteve a mesma medição de massa que foi estimada pelo método da velocidade radial.

Considerando as especificações dos futuros telescópios espaciais de alta resolução, como o Telescópio Espacial James Webb (projetado para estudar atmosferas exoplanetárias), os autores demonstraram que a nova técnica será capaz de caracterizar a massa e propriedades atmosféricas de exoplanetas menores, do tamanho da Terra.

Mark Swain (cientista que não esteve envolvido nesta pesquisa), membro do JPL (Jet Propulsion Laboratory) da NASA, disse que a nova técnica do time do MIT será muito útil na determinação da composição química e do potencial de habitabilidade de exoplanetas semelhantes à Terra.

Swain ressaltou:

Saber a massa é uma peça muito importante do quebra-cabeças. Se descobrirmos que a composição de um certo exoplaneta 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 exoplaneta habitável.

Fonte

MIT: New technique measures mass of exoplanets – Method will help scientists determine the mass of exoplanets that are not measurable in any other way

Artigo Científico

Science: Constraining Exoplanet Mass from Transmission Spectroscopy por Julien de Wit e Sara Seager

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