Exoplanetas: nas fronteiras da astronomia

Impressão artística do planeta Alpha Centauri Bb. Crédito: ESO/L. Calçada

Impressão artística do planeta Alpha Centauri Bb, cuja descoberta foi anunciada em 2012. Leia o artigo até o fim para ter a notícia mais recente sobre o mesmo. Crédito: ESO/L. Calçada/Nick Risinger (skysurvey.org)

A astronomia de exoplanetas é uma área de estudo que é dita ser “de fronteira”. Isso quer dizer que quase tudo que acontece agora, nessa área, é extremamente novo, difícil de interpretar e muitas vezes surpreendente. Quem estuda exoplanetas, está constantemente desbravando novos territórios, e nisso acaba encontrando inúmeros desafios, que se apresentam de várias formas.

Comecemos pela detecção. O primeiro planeta orbitando uma estrela de verdade foi descoberto somente em 1995 (isso porque, anteriormente, havíamos detectado planetas em torno de um pulsar, que não é rigorosamente uma estrela). A astronomia é uma ciência pré-histórica. E os primeiros exoplanetas foram detectados somente há 20 anos atrás! É um piscar de olhos comparado com o histórico dessa ciência. Detectar um exoplaneta é difícil porque esses objetos são muito pequenos e não emitem luz como as estrelas. São poucos os casos em que conseguimos detectá-los com imagem direta: um exemplo é o sistema plentário da estrela Fomalhaut. Por isso, temos que recorrer a métodos indiretos, sendo que os mais produtivos são o método das velocidades radiais e do trânsito.

O método do trânsito consiste em monitorar uma estrela, observando pequenas variações, que esperamos ser periódicas, no seu brilho. Essa variação pode ser causada por várias coisas, como manchas estelares, nuvens de poeira, variação intrínseca da estrela (é raro nas parecidas com o Sol), ou eventualmente um planeta que passa na frente do disco e causa uma pequena queda no brilho. O principal instrumento utilizado nesta técnica foi o satélite Kepler, que, após falhas nas suas rodas de reação opera alternativamente em um novo programa chamado K2.

A curva de luz é um gráfico representando a variação do brilho de uma estrela no tempo. Ela é obtida com os dados de trânsitos. Crédito: NASA

A curva de luz é um gráfico representando a variação do brilho de uma estrela no tempo. Ela é obtida com os dados de trânsitos. Crédito: NASA

Já o método das velocidades radiais consiste em observar o espectro da estrela e monitorar a deslocamento Doppler das linhas espectrais com o tempo. Esse deslocamento pode ser causado também por várias coisas, como a atividade estelar (esse é um termo abrangente usado para designar uma série de efeitos magnéticos), a presença de uma estrela companheira ou eventualmente um planeta orbitando a mesma. Como objetos massivos possuem gravidade, a força gravitacional do planeta ou estrela companheira em órbita faz com que a estrela observada faça uma “dança”, que causa o deslocamento Doppler das linhas espectrais. O método recebe o nome “velocidades radiais” porque o deslocamento Doppler é medido em velocidades. O principal instrumento utilizado neste método atualmente é o espectrógrafo HARPS, instalado no telescópio de 3,6 m em La Silla, do Observatório Europeu do Sul (ESO).

O gráfico de velocidades radiais é o produto do método que recebe o mesmo nome. Ele retrata o movimento da estrela causado pela órbita de um objeto massivo em torno da mesma. Fonte: Dumusque et al. 2012.

O gráfico de velocidades radiais é o produto do método que recebe o mesmo nome. Ele retrata o movimento da estrela causado pela órbita de um objeto massivo em torno da mesma. Fonte: Dumusque et al. 2012.

Até então temos apenas um candidato (termo utilizado para designar um sinal que parece ser causado por um exoplaneta). Vamos agora à interpretação do sinal observado. Como podemos perceber, os efeitos de exoplanetas em uma estrela podem ser confundidos com outros fenômenos. A isso dá-se o nome de contaminação. Uma boa análise deve abordar e tentar eliminar todas as fontes de contaminação no sinal observado. Após a eliminação, se ainda houver um sinal, aí sim podemos começar a fazer a hipótese de um possível planeta orbitando a estrela. Atente para todo o cuidado que tomamos antes de sair tirando conclusões! O trabalho de um cientista é bastante metódico e evita-se de utilizar intuição (porque ela pode nos enganar muito facilmente).

Uma outra fonte de contaminação que pode surgir nos dados é as janelas de observação. As observações não são contínuas: elas são feitas em pedaços, e cada pedaço gera um ponto de dado. Após fazer várias observações, temos uma série de dados, ou série temporal. O problema é que dependendo do “ritmo” desses pontos, pode ser difícil determinar o período das oscilações. A isso dá-se o nome “aliasing”, que basicamente são períodos falsos causados pelo ritmo em que os pontos de dados foram obtidos. É difícil eliminar essa contaminação. O ideal é planejar as observações de modo a minimizar o máximo possível desse efeito.

Após toda a eliminação de contaminantes, o próximo passo é testar a hipótese da presença de um planeta orbitando a estrela. De posse do sinal, nós podemos extrair diversos parâmetros desse suposto objeto. Dependendo da técnica de observação, podemos estimar o tamanho do planeta, a sua massa, a forma de sua órbita, a distância entre ele e a estrela e às vezes até mesmo a composição dele. Os resultados são postos a teste com o que conhecemos sobre dinâmica de sistemas planetários e modelos de evolução. Caso sejam plausíveis e sejam aceitos pelo consenso científico, tem-se um exoplaneta com status de confirmado. Caso os resultados sejam dúbios, o objeto normalmente é mantido como candidato para ser analisado com mais dados, preferencialmente de outros instrumentos.

Alguns exoplanetas são mais facilmente confirmados. Devido à sua alta massa e proximidade da estrela, os planetas do tipo “Júpiter quente” foram descobertos e continuam sendo aos montes por vários instrumentos, em ambos métodos de detecção (trânsitos e velocidades radiais). Outros tipos de planetas, como os chamados de mininetunos e superterras também são mais facilmente detectados. Planetas de menor massa e que estão mais distantes de suas estrelas são muito mais difíceis de serem detectados. Por exemplo, com a nossa atual instrumentação, não conseguiríamos detectar a Terra orbitando o Sol se estivéssemos em outro sistema estelar. Isso é uma limitação tecnológica, e que possivelmente será vencida dentro de alguns anos, com o advento do espectrógrafo ESPRESSO, o sucessor do HARPS.

Impressão artística do planeta CoRoT-7b, uma super-Terra que orbita muito próxima à sua estrela. Crédito: ESO/L. Calçada

Impressão artística do planeta CoRoT-7b, uma superterra que orbita muito próxima à sua estrela. Crédito: ESO/L. Calçada

Para quem acompanha a literatura científica e as publicações mais recentes na mídia, pode-se imaginar que é fácil descobrir exoplanetas, visto que, a cada dia, aparece um novo por aí. Mas como pudemos perceber, o processo de descoberta involve uma série de passos extremamente pequenos, detalhados e cuidadosos antes de chegar a uma conclusão mais concreta. A lista de candidatos a exoplanetas é muito maior que a lista de confirmados. O segredo para tantas descobertas nos últimos anos é que: 1) o satélite Kepler observou mais de 150 mil estrelas em busca de trânsitos; e 2) há vários grupos de astrônomos trabalhando nisso, o que acelera o processo.

Mas mesmo assim, após a descoberta ser cuidadosamente feita, anunciada na mídia e publicada em revista de altíssimo impacto, um exoplaneta ainda pode ter sua natureza questionada através de análises ainda mais profundas dos sinais de detecção. Esse foi o caso do planeta Alpha Centauri Bb, que teve seus status mudado de candidato para descartado. Na verdade, o sinal observado foi possivelmente causado pelo aliasing que citei logo acima neste texto. O artigo sobre esse caso já foi aceito para publicação e há uma versão gratuita para leitura no arXiv.

E assim progride uma ciência de fronteira. Exoplanetas é um assunto fascinante e inspirador, mas a busca pelos mesmos exige um alto nível de cuidado e perseverança por parte dos desbravadores. É sempre bom ter em mente a famosa frase de Carl Sagan: afirmações extraordinárias exigem provas extraordinárias. Sempre exija boas provas de seus astrônomos!

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