Anel da Vida? Habitabilidade no ‘Terminador’ em torno de estrelas anãs vermelhas classe M

https://www.centauri-dreams.org/2023/03/24/ring-of-life-terminator-habitability-around-m-dwarfs/ — Alguns exoplanetas têm um lado permanentemente voltado para sua estrela, enquanto o outro lado está em perpétua escuridão. A borda em forma de anel entre essas regiões diurnas e noturnas permanentes é chamada de “zona terminadora”. Em um novo artigo no The Astrophysical Journal, pesquisadores de física e astronomia da UC Irvine dizem que esta área tem potencial para suportar vida extraterrestre. Crédito: Ana Lobo/UCI.

Não seria nenhuma surpresa para os leitores de ficção científica que a chamada região “terminadora” [1] em certos tipos de planetas possa ser um lugar onde as condições para a vida podem surgir. Estamos falando de planetas que experimentam bloqueio de maré [2] para sua estrela, comumente em mundos de zonas habitáveis em torno de algumas categorias de estrelas anãs vermelhas classe M.

Mas, também podemos voltar à ficção científica bem antiga (antes de 1965) para relembrar uma história ambientada, por exemplo, em Mercúrio, então supostamente preso ao Sol em sua rotação (antigamente pensava-se ser assim), retratando humanos estabelecendo bases na zona do terminador [1] entre o dia escaldante e noite congelada.

Você pode nomear a história de ficção científica que estamos mencionando aqui?

[Respostas na Nota 3]

O assunto do bloqueio de maré [2] é especialmente interessante porque temos candidatos a planetas habitáveis em torno de estrelas tão próximas quanto Proxima Centauri, se é que um planeta possivelmente bloqueado por maré pode sustentar condições clementes na superfície. Planetas como este estão sujeitos a condições extremas, com um lado noturno que não recebe radiação incidente e um lado diurno irradiado onde os efeitos de estufa podem dominar dependendo do vapor de água disponível. Mesmo assim, temperaturas moderadas podem ser alcançadas em modelos de planetas com oceanos, e a maioria dos trabalhos anteriores foi para modelar mundos aquáticos. Também pensamos que é correto dizer que trabalhos anteriores se concentraram em como as condições habitáveis podem ser mantidas na região do “olho” subestelar voltada diretamente para a estrela.

Mas e os planetas que são amplamente cobertos por terra? É uma questão pontual porque novo estudo no The Astrophysical Journal descobriu que mundos travados por maré, principalmente cobertos por água, acabariam ficando saturados por uma espessa camada de vapor. O estudo, liderado por Ana Lobo (UC-Irvine) também descobriu que abundantes superfícies terrestres produzem uma região terminadora [1] que pode muito bem ser amigável à vida, mesmo que a zona equatorial diretamente abaixo da estrela no lado diurno se mostre inóspita. Ana Lobo afirmou:

Estamos tentando chamar a atenção para planetas com mais limitação de água, que apesar de não terem oceanos generalizados, podem ter lagos ou outros corpos menores de água líquida, e esses climas podem ser muito promissores.
Ana Lobo

A modelagem da equipe simula cenários de planetas ricos e limitados em água, mesmo com a questão que permanece em aberto de quanta água esperar em um planeta de estrela classe M orbitando na zona habitável. Afinal, o conteúdo de água provavelmente depende da formação do planeta. Se um planeta de zona habitável se formou no local, provavelmente emergiu com menor teor de água do que um que se formou além da linha de neve (relativamente próximo das anãs M) e migrou para dentro. Também temos que lembrar que a atividade das explosões estelares (flares) pode desencadear perda de água para esses mundos.

Os efeitos da água no clima são abundantes, desde afetar o albedo da superfície até a produção de nuvens e o desenvolvimento do efeito estufa. Eles também são difíceis de modelar quando passamos para outros cenários planetários. Como observa o artigo:

Devido aos vários feedbacks climáticos da água e seus efeitos na estrutura atmosférica, a zona habitável de uma Terra gêmea limitada por água é mais ampla do que a de um aquaplaneta Terra (Abe et al. 2011). Mas enquanto o impacto da água no clima é bem compreendido para a Terra, muitos desses feedbacks climáticos fundamentais se comportam de maneira diferente em planetas que orbitam estrelas anãs classe M, devido à menor frequência da radiação estelar.
Lobo et al.

Para realizar o estudo, a equipe de Ana Lobo considerou um planeta hipotético da classe Terra orbitando a estrela próxima AD Leonis (Gliese 388), uma anã vermelha classe M3.5V, usando um modelo climático global 3D para descobrir se um mundo travado por maré aqui poderia sustentar um gradiente de temperatura grande o suficiente para tornar o terminador habitável. O estudo usa uma definição simplificada de habitabilidade baseada apenas na temperatura da superfície. Os pesquisadores implantaram o ExoCAM, uma versão modificada do Modelo de Atmosfera Comunitária (CAM4) desenvolvido pelo Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica e usado para estudar as condições climáticas na Terra. O software deles ajustou o código original para ajustar fatores como a rotação planetária.

Os resultados são diretos: com terra abundante no planeta, a habitabilidade do terminador aumenta dramaticamente. Um mundo rico em água como a Terra, com cobertura de terra de apenas 30% da superfície, não é necessariamente o melhor modelo de habitabilidade aqui, pois consideramos os fatores envolvidos na eclusa de maré, com extensas terras oferecendo opções viáveis em pelo menos parte da superfície. Um “anel” de habitabilidade pode ser um resultado comum para tais mundos. Mas é interessante considerar como essas condições iniciais podem complicar o desenvolvimento inicial da biologia. Conforme o artigo científico descreve:

Ainda existem muitas incertezas em relação ao conteúdo de água de planetas orbitando estrelas anãs M em sua zona habitável. Com base em nosso entendimento atual, é possível que planetas com limitação de água sejam abundantes e possivelmente mais comuns do que mundos cobertos por oceanos. Portanto, a habitabilidade do terminador [1] pode representar uma fração significativa dos planetas de sistemas de anãs M habitáveis. Em comparação com os climas temperados obtidos com aquaplanetas, a habitabilidade do terminador oferece habitabilidade fracionada reduzida. Além disso, enquanto alcançar um terminador temperado é relativamente fácil em planetas com água limitada, restringir a disponibilidade de água na zona do terminador continua sendo um desafio. No geral, a falta de água superficial abundante nessas simulações pode representar um desafio para o surgimento da vida nessas condições, mas mecanismos, incluindo o fluxo de geleiras, podem permitir o acúmulo suficiente de água superficial para sustentar climas úmidos e temperados localmente no terminador ou próximo a ele.
Lobo et al.

O artigo assinado por Lobo et al., intitulado “Terminator Habitability: The Case for Limited Water Availability on M-dwarf Planets”, está disponível em Astrophysical Journal Vol. 945, nº 2 (16 de março de 2023), 161.

Abstract

Planetas rochosos orbitando estrelas anãs M estão entre os alvos astronômicos mais promissores e abundantes para a detecção de climas habitáveis. Os planetas na zona habitável da anã M provavelmente estão girando de forma síncrona, de modo que esperamos diferenças significativas de temperatura entre o dia e a noite e uma habitabilidade fracional potencialmente limitada. Estudos anteriores focaram em cenários onde a habitabilidade fracional está confinada à região subestelar ou “olho”, mas neste artigo exploramos a possibilidade de planetas com habitabilidade terminador, definida pela existência de uma banda habitável na transição entre um dia escaldante e uma noite glacial. Usando um modelo climático global, mostramos que para planetas com limitação de água é possível ter temperaturas escaldantes no “olho” e temperaturas congelantes no lado noturno, mantendo um clima temperado na região do terminador, devido ao transporte reduzido de energia atmosférica. Em planetas ricos em água, no entanto, o aumento do fluxo estelar leva ao aumento do transporte de energia atmosférica e a uma redução nas diferenças de temperatura diurna e noturna, de modo que o terminador não permanece habitável quando as temperaturas diurnas se aproximam dos limites descontrolados ou úmidos do efeito estufa. Também mostramos que, embora as simulações de abundância de água possam resultar em maior habitabilidade fracional, elas são vulneráveis à perda de água por retenção de frio na superfície noturna ou escape de vapor de água atmosférico, sugerindo que, mesmo que os planetas fossem formados com água abundante, seus climas poderiam se tornar água limitada e sujeita à habitabilidade do terminador [1].
Lobo et al.

Notas

[1] Denominamos a área especial chamada “zona do terminador”, ao anel limite de superfície em exoplanetas que têm um lado sempre voltado para sua estrela e um lado sempre escuro. Assim, o terminador é a linha divisória entre os lados diurno e noturno do planeta. As zonas do terminador podem existir naquela zona de temperatura “certa” entre muito quente e muito frio. Conforme Lobo:

Você quer um planeta que esteja no ponto ideal da temperatura certa para ter água líquida, porque a água líquida, até onde os cientistas sabem, é um ingrediente essencial para a vida.

Nos lados escuros dos planetas terminadores, a noite perpétua produziria temperaturas em queda que poderiam fazer com que qualquer água fosse congelada em gelos eternos. Já o lado do planeta sempre voltado para sua estrela pode ser muito quente para que a água permaneça líquida por muito tempo.

[2] o bloqueio de maré (Tidal Locking) é o efeito do travamento gravitacional entre um par de corpos astronômicos coorbitantes que ocorre quando um dos objetos atinge um estado em que não há mais nenhuma mudança líquida em sua taxa de rotação ao longo de uma órbita completa. No caso em que um corpo bloqueado por maré possui rotação síncrona, o objeto leva tanto tempo para girar em torno de seu próprio eixo quanto para girar em torno de seu parceiro. Por exemplo: o mesmo lado da Lua sempre está voltado para a Terra, embora haja alguma variabilidade porque a órbita da Lua não é perfeitamente circular. Normalmente, apenas o satélite é preso por maré ao corpo maior. No entanto, se a diferença de massa entre os dois corpos e a distância entre eles forem relativamente pequenas, cada um pode estar preso ao outro por efeito de maré; este é o caso de Plutão e Caronte, bem como de Eris e Disnomia. Nomes alternativos para o processo de bloqueio das marés são bloqueio gravitacional, rotação capturada e bloqueio spin-órbita.

O efeito surge entre dois corpos quando sua interação gravitacional diminui a rotação de um corpo até que ele fique travado. Ao longo de muitos milhões de anos, as forças de interação mudam em suas órbitas e taxas de rotação como resultado da troca de energia e dissipação de calor. Quando um dos corpos atinge um estado em que não há mais nenhuma alteração líquida em sua taxa de rotação ao longo de uma órbita completa, diz-se que ele está travado por maré. O objeto tende a permanecer nesse estado porque deixá-lo exigiria a adição de energia de volta ao sistema. A órbita do objeto pode migrar com o tempo para desfazer o bloqueio de maré, por exemplo, se um planeta gigante perturbar o objeto.

Atenção: nem todos os casos de travamento de maré envolvem rotação síncrona. Em Mercúrio, por exemplo, este planeta travado por maré completa três rotações para cada duas revoluções ao redor do Sol, uma ressonância spin-órbita de 3:2. No caso especial em que uma órbita é quase circular e o eixo de rotação do corpo não é significativamente inclinado, como a Lua, o travamento das marés resulta no mesmo hemisfério do objeto em rotação constantemente voltado para seu parceiro. No entanto, neste caso, a mesma porção do corpo nem sempre está voltada para o parceiro em todas as órbitas. Pode haver algum deslocamento devido a variações na velocidade orbital do corpo bloqueado e à inclinação de seu eixo de rotação.

[3] De 1893 a 1965, acreditava-se que Mercúrio estava 1:1 travado com o Sol, de modo que um lado de Mercúrio estava sempre na luz do sol e o lado oposto sempre na escuridão, com uma fina faixa de crepúsculo perpétuo no meio, ou seja, numerosas obras de ficção escritas neste período retratam Mercúrio desta forma.

Exemplos incluem:

o romance de 1930 de Ray Cummings, “Tama of the Light Country”, onde os habitantes de Mercúrio vivem suas vidas sob um Sol imóvel;

o conto de Clark Ashton Smith de 1932 “The Immortals of Mercury”, onde existem duas espécies hostis diferentes no planeta;

o conto de 1942 de Isaac Asimov “Runaround” (mais tarde incluído no romance de 1950 “I, Robot”) onde um robô é enviado para recuperar suprimentos críticos do inóspito lado do dia e apresenta mau funcionamento;

o romance “Iceworld” de Hal Clement, de 1953, onde alienígenas acostumados a temperaturas muito mais altas do que as encontradas na Terra montaram acampamento no lado quente de Mercúrio;

o conto de Asimov de 1956, “The Dying Night”, onde um personagem que passou um muito tempo em Mercúrio está acostumado as áreas em escuridão permanente;

o conto de Alan E. Nourse de 1956 “Brightside Crossing” que retrata uma tentativa de cruzar o lado iluminado do planeta “porque está lá” como um feito semelhante a então recente primeira ascensão bem-sucedida do Monte Everest em 1953;

o conto de Poul Anderson de 1957 “Life Cycle”, onde há uma espécie que muda de fêmea para macho quando passa do lado noturno para o lado diurno e vice-versa versa;

o romance de 1959 de Kurt Vonnegut, “The Sirens of Titan”, onde existem formas de vida em cavernas no lado noturno que vivem de vibrações;

o romance de Eli Sagi de 1963 “Harpatkotav Shel Captain Yuno Al Ha’kochav Ha’mistori” (As Aventuras do Capitão Yuno no Planeta Misterioso) onde os habitantes dos respectivos hemisférios estão em guerra.

Finalmente, o conto de 1964 de Larry Niven, “The Coldest Place”, que retrata o lado noturno de Mercúrio, pode ter sido possivelmente a última história de um Mercúrio travado por maré antes de ser descoberto que o planeta realmente tem uma ressonância de rotação de 3:2, de modo que todos os lados veem regularmente luz do dia, ou seja, Mercúrio possui dias e noites. Sabemos desde então que o Período de Rotação Sideral em Mercúrio é de 58,646 dias terrestres ou 1.407,5 horas. Considerando que o diâmetro de Mercurio é 4.880 km, podemos calcular que a linha do terminador em Mercúrio se move continuamente a ~10,9 km/h.