Em 2021, o observatório de próxima geração da NASA, o Telescópio Espacial James Webb (JWST), levará para o espaço. Uma vez operacional, esta missão emblemática começará onde outros telescópios espaciais - como Hubble, Keplere Spitzer - deixado de fora. Isso significa que, além de investigar alguns dos maiores mistérios cósmicos, ele também procurará exoplanetas potencialmente habitáveis e tentará caracterizar suas atmosferas.
Isso faz parte do que diferencia o JWST de seus antecessores. Entre seus recursos de alta sensibilidade e imagem infravermelha, ele poderá coletar dados em atmosferas de exoplanetas como nunca antes. No entanto, como mostrou recentemente um estudo patrocinado pela NASA, os planetas com atmosferas densas também podem ter uma extensa cobertura de nuvens, o que poderia complicar as tentativas de reunir alguns dos dados mais importantes de todos.
Durante anos, os astrônomos usaram a Fotometria de Trânsito (também conhecida como Método de Trânsito) para detectar exoplanetas, monitorando estrelas distantes em busca de quedas no brilho. Este método também se mostrou útil na determinação da composição atmosférica de alguns planetas. Quando esses corpos passam na frente de suas estrelas, a luz passa através de sua atmosfera, cujos espectros são então analisados para ver quais elementos químicos existem.
Até agora, esse método tem sido útil quando se observa planetas maciços (gigantes gasosos e "Super Júpiteres") que orbitam seus sóis a grandes distâncias. No entanto, observar planetas menores e rochosos (isto é, "semelhantes à Terra") que orbitam mais perto de seus sóis - o que os colocaria dentro da zona habitável da estrela - está além das capacidades dos telescópios espaciais.
Por esse motivo, a comunidade astronômica aguarda ansiosamente o dia em que telescópios da próxima geração como o JWST estejam disponíveis. Examinando os espectros de luz que passam pela atmosfera de um planeta rochoso (um método conhecido como espectroscopia de transmissão), os cientistas poderão procurar os indicadores indicadores de gás oxigênio, dióxido de carbono, metano e outros sinais associados à vida (também conhecida como “biosassinaturas”). ”).
Outro elemento crítico para a vida (como a conhecemos) é a água; portanto, as assinaturas de vapor de água na atmosfera de um planeta são um alvo principal para pesquisas futuras. Mas em um novo estudo liderado por Thaddeus Komacek, um pós-doutorado do Departamento de Ciências Geofísicas da Universidade de Chicago, é possível que qualquer planeta com água superficial abundante também tenha nuvens abundantes (partículas de gelo condensado) em sua atmosfera .
Para o estudo, Komacek e seus colegas examinaram se essas nuvens interfeririam nas tentativas de detectar vapor de água nas atmosferas de exoplanetas terrestres. Devido ao número de exoplanetas rochosos que foram descobertos nas zonas habitáveis de estrelas do tipo M (anã vermelha) nos últimos anos - como o Proxima b - as anãs vermelhas vizinhas serão o foco principal de pesquisas futuras.
Como Komack explicou à Space Magazine por e-mail, planetas travados por maré que orbitam estrelas anãs vermelhas são adequados para estudos envolvendo espectroscopia de transmissão - e por várias razões:
“Planetas em trânsito que orbitam estrelas anãs vermelhas são alvos mais favoráveis do que aquelas que orbitam estrelas parecidas com o Sol, porque a proporção do tamanho do planeta para o tamanho da estrela é maior. O tamanho do sinal na transmissão é escalado como o quadrado da razão entre o tamanho do planeta e o tamanho da estrela. Portanto, há um aumento significativo no sinal de estrelas menores que a Terra.
“Outra razão pela qual os planetas que orbitam estrelas anãs vermelhas é mais favorável a observar é porque a 'zona habitável', ou onde esperamos que haja água líquida na superfície do planeta, esteja muito mais próxima da estrela ... Por causa disso órbitas mais próximas, planetas rochosos habitáveis que orbitam estrelas anãs vermelhas transitarão com mais frequência sua estrela, o que permite que os observadores façam muitas observações repetidas.“
Com isso em mente, Komacek e sua equipe empregaram dois modelos em conjunto para gerar espectros de transmissão sintética de planetas fechados por marés em torno de estrelas do tipo M. O primeiro foi o ExoCAM, desenvolvido pelo Dr. Eric Wolf, do Laboratório de Física Atmosférica e Espacial da Universidade do Colorado (LASP), um modelo de sistema terrestre comunitário (CESM) usado para simular o clima da Terra, que foi adaptado para estudar as atmosferas de exoplanetas.
Usando o modelo ExoCAM, eles simularam o clima de planetas rochosos que orbitam estrelas anãs vermelhas. Segundo, eles empregaram o Gerador de Espectro Planetário desenvolvido pelo Goddard Space Flight Center da NASA para simular o espectro de transmissão que o JWST detectaria em seu planeta simulado. Como Komacek explicou:
“Essas simulações do ExoCAM calcularam as distribuições tridimensionais de temperatura, taxa de mistura de vapor de água e partículas de nuvens de água líquida e gelada. Descobrimos que os planetas que orbitam estrelas anãs vermelhas são muito mais nublados que a Terra. Isso ocorre porque todo o seu dia tem um clima semelhante aos trópicos da Terra e, portanto, o vapor de água é facilmente elevado a baixas pressões, onde pode condensar e formar nuvens que cobrem grande parte do dia do planeta…
“O PSG deu resultados para o tamanho aparente do planeta em transmissão em função do comprimento de onda, juntamente com a incerteza. Observando como o tamanho do sinal mudou com o comprimento de onda, conseguimos determinar o tamanho dos recursos de vapor de água e compará-los com o nível de incerteza. ”
Entre esses dois modelos, a equipe conseguiu simular planetas com e sem cobertura de nuvens e o que o JWST poderia detectar como resultado. No primeiro caso, eles descobriram que o vapor de água na atmosfera do exoplaneta seria quase certamente detectável. Eles também descobriram que isso poderia ser feito para exoplanetas do tamanho da Terra em apenas dez trânsitos ou menos.
“Quando incluímos os efeitos das nuvens, o número de trânsitos que o JWST precisava observar para detectar o vapor de água aumentou em um fator de dez a cem”, disse Komacek. "Existe um limite natural de quantos trânsitos o JWST pode observar para um determinado planeta porque o JWST tem uma vida útil nominal de 5 anos e a observação da transmissão só pode ser feita quando o planeta passa entre nós e sua estrela hospedeira".
Eles também descobriram que o impacto da cobertura de nuvens era especialmente forte com planetas de rotação mais lenta em torno de anãs vermelhas. Basicamente, os planetas com períodos orbitais superiores a cerca de 12 dias experimentariam mais formação de nuvens nos seus dias. "Descobrimos que, para planetas que orbitam uma estrela como TRAPPIST-1 (o alvo mais favorável conhecido), o JWST não seria capaz de observar trânsitos suficientes para detectar vapor de água", disse Komacek.
Esses resultados são semelhantes aos que outros pesquisadores observaram, acrescentou. No ano passado, um estudo liderado por pesquisadores da NASA Goddard mostrou como a cobertura de nuvens tornaria o vapor de água indetectável nas atmosferas dos planetas TRAPPIST-1. No início deste mês, outro estudo da NASA, apoiado por Goddard, mostrou como as nuvens reduzirão a amplitude do vapor de água a tal ponto que o JWST as eliminaria como ruído de fundo.
Mas antes de pensarmos que são todas más notícias, este estudo apresenta algumas sugestões de como essas limitações podem ser superadas. Por exemplo, se o tempo da missão é um fator, a missão do JWST pode ser estendida para que os cientistas tenham mais tempo para coletar dados. A NASA já espera ter o telescópio espacial em operação por dez anos, então uma extensão de missão já é uma possibilidade.
Ao mesmo tempo, um limiar baixo de sinal para ruído para detecção pode permitir que mais sinais sejam captados dos espectros (embora isso também signifique mais falsos positivos). Além disso, Komacek e seus colegas afirmaram que esses resultados se aplicam apenas a recursos que estão abaixo do deck de nuvem em exoplanetas:
“Como o vapor de água está preso principalmente abaixo do nível das nuvens, a forte cobertura de nuvens nos planetas que orbitam estrelas anãs vermelhas torna incrivelmente desafiador detectar as características da água. Importante, é esperado que o JWST ainda seja capaz de restringir a presença de constituintes atmosféricos essenciais, como dióxido de carbono e metano, em apenas uma dúzia de trânsitos. ”
Mais uma vez, esses resultados são suportados por pesquisas anteriores. No ano passado, um estudo da Universidade de Washington examinou a detectabilidade e as características dos planetas TRAPPIST-1 e descobriu que as nuvens provavelmente não terão um impacto significativo na detectabilidade das características de oxigênio e ozônio - duas principais bioassinaturas associadas à presença de vida.
Realmente, o JWST pode ter dificuldade em detectar vapor de água em atmosferas de exoplanetas, pelo menos no que diz respeito à densa cobertura de nuvens. Para outras bioassinaturas, o JWST não deve ter problemas para farejá-las, nuvens ou nuvens. Espera-se que grandes coisas venham de Webb, o telescópio espacial mais poderoso e sofisticado da NASA até hoje. E tudo começará no próximo ano!
