Crédito, Nasa ESA CSA/STScI/Joseph Olmsted
- Author, Christopher Watson e Annelies Mortier
- Role, The Conversation*
No dia 6 de outubro de 1995, em um congresso científico em Florença, na Itália, dois astrônomos suíços fizeram um anúncio que transformaria nosso conhecimento do Universo.
Michel Mayor e seu aluno de PhD Didier Queloz, da Universidade de Genebra, na Suíça, anunciaram ter detectado um planeta orbitando uma estrela, fora do nosso Sistema Solar.
A estrela em questão, 51 Pegasi, fica a cerca de 50 anos-luz de distância, na constelação de Pégaso. Seu companheiro, batizado de 51 Pegasi b, era diferente de qualquer descrição existente nos livros de como imaginávamos a aparência dos planetas.
Tratava-se de um gigante de gás, com pelo menos a metade da massa de Júpiter. Ele circula sua estrela em pouco mais de quatro dias.
O planeta fica tão próximo da estrela (1/20 da distância entre a Terra e o Sol, bem dentro da órbita de Mercúrio) que sua atmosfera seria uma fornalha, com temperaturas atingindo 1.000 °C.
O instrumento por trás da descoberta era o espectógrafo Elodie, instalado dois anos antes no observatório de Haute-Provence, no sul da França.
Projetado por uma equipe franco-suíça, o Elodie divide a luz das estrelas em um espectro de cores distintas, revelando um arco-íris marcado por finas linhas escuras. Estas linhas podem ser consideradas um “código de barras estelar”, que fornece detalhes sobre a química de outras estrelas.
Mayor e Queloz observaram que o código de barras de 51 Pegasi varia de forma rítmica ao longo desse espectro a cada 4,23 dias, um sinal revelador de que a estrela sofre oscilações causadas pelo empuxo gravitacional de um companheiro invisível em meio ao seu brilho.
Depois de descartar cuidadosamente outras possíveis explicações, os astrônomos finalmente concluíram que as variações se devem a um gigante de gás em órbita próxima daquela estrela parecida com o Sol.
A primeira página da revista Nature que publicou o estudo trazia a manchete: “Um planeta em Pégaso?”
A descoberta desconcertou os cientistas. E o ponto de interrogação na capa da Nature refletia o ceticismo inicial.
Ali estava um hipotético planeta gigante perto da sua estrela, mas não havia um mecanismo conhecido de formação de um mundo como aquele em um ambiente tão escaldante.
Crédito, ESA/Hubble/Nasa
Outras equipes confirmaram o sinal em questão de semanas. Mas as reservas sobre as causas do sinal perduraram por quase três anos, até serem finalmente eliminadas.
51 Pegasi b não só se tornou o primeiro planeta descoberto em órbita de uma estrela similar ao Sol fora do nosso Sistema Solar, como também representou uma espécie de planeta inteiramente nova. Foi posteriormente cunhada a expressão “Júpiter quente” para descrevê-los.
A descoberta abriu uma porteira. Trinta anos se passaram e já foram catalogados mais de 6 mil exoplanetas (planetas localizados fora do nosso Sistema Solar) e candidatos a exoplanetas.
Sua variedade é impressionante. Não se trata apenas de Júpiteres quentes, mas ultraquentes, com órbitas de menos de um dia e temperaturas de mais de 2.000 °C; mundos que orbitam não uma, mas duas estrelas, como Tatooine de Guerra nas Estrelas; estranhos gigantes de gás “superinchados”, maiores que Júpiter, mas com uma fração da sua massa; e cadeias de pequenos planetas rochosos, aglomerados em órbitas restritas.
A descoberta de 51 Pegasi b gerou uma revolução. E, em 2019, rendeu um Prêmio Nobel a Mayor e Queloz.
Podemos, agora, deduzir que a maioria das estrelas possui sistemas planetários. E, ainda assim, com milhares de exoplanetas encontrados, ainda não descobrimos um sistema planetário parecido com o nosso.
A busca para encontrar um irmão gêmeo da Terra — um planeta que relembre o nosso, em tamanho, massa e temperatura — continua a atrair exploradores contemporâneos como nós, procurando outros exoplanetas ainda não descobertos.
Nossas expedições podem não nos conduzir a viagens e jornadas que desafiam a morte, como fizeram os lendários exploradores da Terra no passado. Mas conseguimos visitar belos observatórios no topo das montanhas, muitos deles localizados em áreas remotas espalhadas pelo mundo.
Fazemos parte de um consórcio internacional de caçadores de planetas, que construiu, opera e mantém o espectrógrafo Harps-N, montado no Telescópio Nacional Galileu, na bela ilha de La Palma, nas Canárias (Espanha).
Este sofisticado instrumento nos permite interromper bruscamente a jornada da luz estelar, que pode muito bem ter viajado livre de obstáculos por décadas ou até milênios, a 1,08 bilhão de quilômetros por hora.
Cada novo sinal apresenta o potencial de nos aproximar da compreensão de como podem (ou não) ser os sistemas planetários comuns como o nosso. E, no fundo, existe a possibilidade de que, um dia, possamos finalmente detectar outro planeta como a Terra.
As origens dos estudos exoplanetários
Até meados dos anos 1990, o nosso Sistema Solar era o único conjunto de planetas conhecido pela humanidade.
Todas as teorias sobre a formação e a evolução dos planetas eram derivadas destes nove pontos de dados incrivelmente próximos. É claro que, hoje, são oito, depois que Plutão foi “rebaixado” em 2006, com a nova definição de planeta adotada pela União Astronômica Internacional.
Todos estes planetas giram em torno de apenas uma das cerca de 100 bilhões de estrelas estimadas na nossa galáxia, a Via Láctea — que, por sua vez, é uma entre cerca de 100 bilhões de galáxias espalhadas por todo o Universo.
Por isso, tentar tirar conclusões somente a partir dos planetas do nosso Sistema Solar é mais ou menos como se alienígenas tentassem avaliar a natureza humana, analisando um grupo de estudantes que moram juntos em uma única casa.
Mas isso não impediu que algumas das maiores mentes da história humana especulassem o que poderia existir no espaço sideral.
Crédito, Getty Images
O grande filósofo grego Epicuro (341 a.C.-270 a.C.) escreveu que “existe um número infinito de mundos, alguns como este, outros diferentes”.
Esta afirmação não se baseou em observações astronômicas, mas na sua teoria atomista da filosofia. Se o Universo fosse composto de um número infinito de átomos, sua opinião era que seria impossível não haver outros planetas.
Epicuro entendia claramente o que isso poderia significar em termos de potencial de desenvolvimento de vida em outros lugares:
“Não devemos supor que os mundos possuem necessariamente uma única forma. Em um tipo de mundo, podem estar contidas as sementes das quais surgem os animais, as plantas e todo o restante que observamos, enquanto, em outro tipo de mundo, elas poderão não existir.”
Por outro lado, aproximadamente na mesma época, o filósofo grego Aristóteles (384 a.C.-322 a.C.) propôs seu modelo geocêntrico do Universo, com a Terra imóvel no centro e a Lua, o Sol e os planetas conhecidos orbitando à nossa volta.
Essencialmente, o Sistema Solar concebido por Aristóteles representava todo o Universo.
Em Sobre o Céu (350 a.C.), o filósofo defende que “não pode haver mais de um mundo”. E este pensamento de que os planetas seriam raros no Universo persistiu por 2 mil anos.
O britânico James Jeans (1877-1946), um dos principais matemáticos do mundo e influente físico e astrônomo do início do século 20, divulgou sua hipótese de formação dos planetas, em 1916.
Sua teoria dizia que os planetas seriam formados quando duas estrelas passassem tão próximas uma da outra que seu encontro lançaria fluxos de gás das estrelas para o espaço. Estes gases posteriormente se condensariam, formando os planetas.
A raridade desses encontros cósmicos na vastidão do espaço vazio levou Jeans a acreditar que os planetas seriam raros. Ou até, como relata seu obituário, “que o Sistema Solar poderá até ser único no Universo”.
Mas a compreensão da escala do Universo, na época, estava mudando lentamente.
No Grande Debate de 1920, realizado no Museu Smithsoniano de História Natural em Washington DC, nos Estados Unidos, os astrônomos americanos Harlow Shapley (1885-1972) e Heber Curtis (1872-1942) discutiram se a Via Láctea seria todo o Universo ou apenas uma entre muitas galáxias.
As evidências começavam a indicar esta última hipótese, defendida por Curtis. E esta percepção (de que o Universo continha não apenas bilhões de estrelas, mas bilhões de galáxias, cada qual contendo bilhões de estrelas) começou a influenciar até as previsões mais pessimistas sobre a incidência dos planetas.
Nos anos 1940, dois fatores causaram alterações significativas do consenso científico.
Primeiramente, a hipótese de Jeans não resistiu ao escrutínio científico. Agora, as principais teorias consideravam a formação dos planetas como subproduto natural da própria formação das estrelas.
Estava aberto o potencial para que todas as estrelas pudessem abrigar planetas.
Crédito, ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger
Depois disso, em 1943, surgiram afirmações sobre planetas orbitando as estrelas 70 Ophiuchus e 61 Cygni C, dois sistemas estelares relativamente próximos, visíveis a olho nu.
Demonstrou-se posteriormente que ambos eram falsos positivos, mais provavelmente devido a incertezas das observações telescópicas disponíveis na época. Mas eles exerceram grande influência sobre o pensamento planetário.
Subitamente, a existência de bilhões de planetas na Via Láctea passou a ser considerada uma possibilidade genuinamente científica.
Duas décadas antes, Russell havia previsto que os planetas “deveriam ser raros entre as estrelas”.
Agora, o título do seu artigo era: “A morte do antropocentrismo: novas descobertas levam à probabilidade de que existam milhares de planetas habitados na nossa galáxia.”
Surpreendentemente, Russell não estava apenas fazendo uma previsão sobre planetas antigos, mas habitados. A grande questão era: onde eles estão?
Seria preciso mais meio século para que começássemos a descobrir.
Como detectar um exoplaneta
Quando observamos inúmeras estrelas no telescópio de construção italiana Galileo, em La Palma, usando nosso espectrógrafo Harps-N, é incrível considerar a que ponto chegamos desde o anúncio da descoberta de 51 Pegasi b por Mayor e Queloz, em 1995.
Atualmente, podemos efetivamente medir as massas não apenas de planetas similares a Júpiter, mas até de planetas pequenos, a milhares de anos-luz de distância.
Como parte do projeto colaborativo Harps-N, passamos a ter visão privilegiada na ciência dos exoplanetas menores desde 2012.
Outro marco desta história veio quatro anos depois da descoberta de 51 Pegasi b, quando o canadense David Charbonneau, então estudante de PhD da Universidade Harvard, nos Estados Unidos, detectou o trânsito de um exoplaneta conhecido.
Tratava-se de outro Júpiter quente, conhecido como HD209458b, também localizado na constelação de Pégaso, a cerca de 150 anos-luz da Terra.
O trânsito é a passagem de um planeta em frente à sua estrela, do ponto de vista do observador, que faz com que a estrela pareça momentaneamente atenuada.
Além de detectar exoplanetas, a técnica de trânsito nos permite medir seu raio. Para isso, tomamos diversas medições do brilho da estrela e aguardamos que ele diminua, com a passagem do planeta.
A extensão do bloqueio da luz estelar depende do raio de cada planeta. Júpiter, por exemplo, atenuaria a luz do Sol em apenas 1% para os observadores alienígenas. E o efeito da Terra seria 100 vezes mais fraco.
Ao todo, foram descobertos quatro vezes mais exoplanetas usando esta técnica de trânsito, em comparação com o “código de barras”, conhecido como velocidade radial, usado pelos astrônomos suíços para identificar o primeiro exoplaneta, 30 anos atrás.
A técnica ainda é amplamente utilizada hoje em dia, incluindo por nós mesmos, pois, além de encontrar um planeta, ela também pode medir a sua massa.
Um planeta em órbita de uma estrela exerce força gravitacional que faz com que ela oscile, para frente e para trás. Isso significa que, periodicamente, ela irá alterar sua velocidade em relação aos observadores na Terra.
Com a técnica de velocidade real, tomamos repetidas medidas da velocidade da estrela, buscando encontrar uma oscilação periódica estável que indique a presença de um planeta.
Crédito, CfA
Mas estas mudanças de velocidade são extremamente pequenas.
Em termos comparativos, a Terra faz com que o Sol altere sua velocidade em apenas 9 cm por segundo, o que é menos que uma tartaruga.
Por isso, para encontrar planetas com a técnica de velocidade radial, precisamos medir essas pequenas mudanças de velocidade de estrelas a muitos trilhões de quilômetros de distância.
Os instrumentos de última geração que utilizamos, de fato, são um feito da engenharia.
Os espectrógrafos mais recentes, como o Harps-N e o Espresso, podem medir com precisão alterações de velocidade da ordem de décimos de centímetro por segundo. Mas ainda não são suficientemente sensíveis para detectar um verdadeiro irmão gêmeo da Terra.
Esta técnica de velocidade radial, por enquanto, é limitada a observatórios localizados na Terra e só podemos observar uma estrela de cada vez. Mas a técnica de trânsito pode ser empregada em telescópios espaciais, como o francês Corot (2006-2014) e as missões da Nasa Kepler (2009-2018) e Tess (a partir de 2018).
Cumulativamente, os telescópios espaciais detectaram milhares de exoplanetas, em toda a sua diversidade. Eles fazem uso do fato de que, do espaço, podemos medir o brilho estelar com mais facilidade — e de muitas estrelas ao mesmo tempo.
Apesar das variações no sucesso da detecção, as duas técnicas continuam sendo desenvolvidas. E aplicar ambas pode fornecer o raio e a massa de um planeta, o que abre muitos caminhos novos para estudar sua composição.
Para estimar a possível composição dos exoplanetas descobertos, começamos com a hipótese simplificada de que os pequenos planetas, como a Terra, são compostos de um núcleo rico em ferro, um manto rochoso mais leve, um pouco de água na superfície e uma pequena atmosfera.
Usando nossas medições de massa e raio, podemos, agora, criar modelos das diferentes camadas possíveis da sua composição e sua espessura correspondente.
Este ainda é, em grande parte, um trabalho em andamento. Mas o Universo manda spoilers com uma ampla variedade de planetas diferentes entre si.
Já observamos evidências de mundos rochosos despedaçados e estranhas disposições planetárias que indicam colisões do passado.
Foram encontrados planetas em toda a nossa galáxia, de Sweeps-11b, na sua região central (a cerca de 28 mil anos-luz de distância da Terra, um dos mais longínquos já descobertos) até os que orbitam nosso vizinho estelar mais próximo, Proxima Centauri, a “apenas” 4,2 anos-luz de distância.
Em busca de ‘outra Terra’
No início de julho de 2013, eu (Christopher Watson) voei para La Palma, para minha primeira missão com o recém-encomendado espectrógrafo Harps-N.
Com cuidado para não estragar tudo, levei meu laptop repleto de planilhas, gráficos, manuais, slides e outras anotações. Havia também um documento de três páginas que eu havia acabado de enviar, intitulado: “Instruções especiais para ToO” (abreviatura de Target of Opportunity, Alvo de Oportunidade, em inglês).
O primeiro parágrafo dizia que “a Diretoria decidiu que devemos dedicar a mais alta prioridade a este objeto”.
O objeto em questão era um candidato a planeta considerado em órbita de Kepler-78, uma estrela um pouco mais fria e menor que o nosso Sol, localizada a cerca de 125 anos-luz, na direção da constelação do Cisne.
Algumas linhas abaixo, leio: “Observação de 4-8 de julho… Chris Watson”, com uma lista de 10 horários para observar Kepler-78 — duas vezes por noite, separadas por um período muito específico de quatro horas e 15 minutos.
O nome relacionado acima do meu era o de Didier Queloz. Mas ele ainda não havia recebido o prêmio Nobel na época.
Crédito, David A. Aguilar/CfA
O candidato a planeta havia sido identificado pelo telescópio espacial Kepler. Ele recebeu a tarefa de examinar uma parte da Via Láctea, em busca de exoplanetas do tamanho da Terra.
Neste caso, ele havia identificado um candidato a planeta em trânsito, com raio estimado de 1,16 (± 0,19) vezes o raio da Terra. Um exoplaneta não muito maior do que o nosso havia sido potencialmente identificado.
Eu estava em La Palma para tentar medir sua massa. Esta medição, combinada com o raio obtido pelo Kepler, permitiria restringir a densidade e a possível composição do candidato a planeta.
Minhas observações da época dizem: “Quero a massa com 10% de erro, para obter densidade aparente suficiente para diferenciar entre um planeta similar à Terra, com alta concentração de ferro (Mercúrio) ou água.”
Ao todo, fiz 10 das 81 exposições de Kepler-78 realizadas pela nossa equipe, ao longo de uma campanha de observação que durou 97 dias. E, durante esse período, ficamos sabendo de outra equipe, liderada pelos Estados Unidos, que também procurava o possível planeta.
Com puro espírito científico, firmamos um acordo para apresentar nossas descobertas independentes ao mesmo tempo.
Na data especificada, como em uma troca de prisioneiros, as duas equipes independentes trocaram seus resultados, que eram coincidentes. Nós havíamos, dentro das incertezas dos nossos dados, chegado às mesmas conclusões sobre a massa do planeta.
Sua massa mais provável resultou em 1,86 vezes a da Terra.
Na época, este resultado fez de Kepler-78b o menor planeta extrassolar com massa precisamente medida. E sua densidade era quase idêntica à da Terra.
Mas é aqui que terminam as similaridades entre os dois planetas.
O “ano” de Kepler-78b dura apenas 8,5 horas. Este é o motivo das minhas instruções de observá-lo a cada quatro horas e 15 minutos, quando o planeta estava em lados opostos da sua órbita e, portanto, a oscilação induzida da estrela estaria no seu ponto máximo.
Nós medimos a estrela oscilando de um lado para outro a cerca de dois metros por segundo, não mais do que uma leve corrida humana.
A curta órbita de Kepler-78b significa que sua temperatura extrema causaria o derretimento de todas as rochas do planeta.
Ele pode ter sido o planeta mais similar à Terra encontrado na época, em termos de tamanho e densidade. Mas este infernal mundo de lava era extremo demais para a nossa população planetária conhecida.
Em 2016, o telescópio espacial Kepler fez outra descoberta histórica: um sistema com pelo menos cinco planetas em trânsito, em torno de uma estrela similar ao Sol — HIP41378, na constelação de Câncer.
O que torna a descoberta particularmente interessante é a localização destes planetas.
A maior parte dos planetas em trânsito já identificados fica mais perto da sua estrela do que Mercúrio em relação ao Sol, devido às nossas capacidades de detecção. Mas este sistema inclui pelo menos três planetas além do raio da órbita de Vênus.
Decidimos usar nosso espectrógrafo Harps-N para medir a massa de todos os cinco planetas em trânsito. Com isso, ficou claro, após mais de um ano de observações, que um instrumento não seria suficiente para analisar esta desafiadora mistura de sinais.
Outras equipes internacionais chegaram à mesma conclusão e, em vez de competir, decidimos nos reunir em um esforço de colaboração global que permanece ativo até hoje, com centenas de velocidades radiais reunidas ao longo de vários anos.
Crédito, Nasa/JPL-Caltech
Com planetas muito mais distantes da sua estrela, leva muito mais tempo para termos um novo evento de trânsito ou observar totalmente a oscilação periódica. Por isso, precisamos esperar diversos anos e reunir muitos dados para obter conhecimento sobre este sistema.
Mas as recompensas são óbvias. Este é o primeiro sistema que começa a relembrar o nosso Sistema Solar.
Os planetas são um pouco maiores e têm mais massa que os nossos planetas rochosos, mas suas distâncias são muito parecidas. Isso nos ajuda a entender como se formam os sistemas planetários no Universo.
O ‘santo graal’ dos exploradores de exoplanetas
Após três décadas de observações, surgiram inúmeros planetas diferentes.
Começamos com os Júpiteres quentes, grandes gigantes de gás próximos da sua estrela. Eles são alguns dos mais fáceis de se encontrar, devido ao seu trânsito mais profundo e maiores sinais de velocidade radial.
Mas, embora as primeiras dezenas de exoplanetas descobertos fossem todos Júpiteres quentes, sabemos agora que estes planetas, na verdade, são muito raros.
Com o desenvolvimento da instrumentação e o aumento das observações, descobrimos toda uma nova classe de planetas, com tamanhos e massas que variam entre a Terra e Netuno.
Mas, apesar do nosso conhecimento de milhares de exoplanetas, ainda não encontramos sistemas realmente parecidos com o nosso Sistema Solar, nem planetas realmente similares à Terra.
É tentador concluir que isso significa que somos um planeta único, em um sistema único. Embora ainda possa ser verdade, é algo improvável.
A explicação mais razoável é que, apesar de toda a nossa tecnologia estelar, nossa capacidade de detectar planetas similares à Terra ainda é razoavelmente limitada, em um Universo com uma vastidão tão alucinante.
O santo graal para muitos exploradores de exoplanetas, incluindo a nós, ainda é encontrar esse verdadeiro irmão gêmeo da Terra, um planeta com massa e raio similares ao nosso, em órbita de uma estrela parecida com o Sol, a uma distância próxima da nossa própria distância em relação ao Sol.
O Universo é rico em diversidade e abriga muitos planetas diferentes do nosso. Mas descobrir um verdadeiro irmão gêmeo da Terra seria o melhor ponto de partida para procurar vida como a conhecemos.
Atualmente, o método de velocidade radial, utilizado para encontrar o primeiro exoplaneta, permanece, de longe, o melhor método para encontrá-lo.
Trinta anos depois daquela descoberta merecedora do prêmio Nobel, o pioneiro explorador planetário Didier Queloz é o responsável pela primeira campanha dedicada ao uso da velocidade radial a sair em busca de um planeta similar à Terra.
Um grupo colaborativo internacional importante está construindo um instrumento específico, o Harps3, a ser instalado ainda este ano no Telescópio Isaac Newton, em La Palma. E, considerando sua capacidade, acreditamos que uma década de dados deverá ser suficiente para finalmente descobrirmos o primeiro irmão gêmeo da Terra.
A menos que sejamos únicos, afinal de contas.
* Christopher Watson é professor do Centro de Pesquisas Astrofísicas da Escola de Matemática e Física da Universidade Queen’s de Belfast, no Reino Unido.
Annelies Mortier é professora de Astronomia da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Birmingham, no Reino Unido.