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O que poderia o telescópio James Webb ver do exoplaneta mais próximo?


Pesquisadores descrevem plano para detectar possível atmosfera e potenciais indícios de vida.

 Assim como no mês passado, nós podemos afirmar que há um planeta com massa similar ao da Terra orbitando Proxima Centauri, a estrela mais próxima do Sol.


Isso levanta uma questão óbvia: Esse planeta pode suportar vida? O planeta, Proxima Centauri b, orbita dentro da zona habitável, a distância que permite a existência de água em forma líquida.

A presença de algum tipo de líquido depende em partes se o planeta tem uma atmosfera. Essa é uma dúvida difícil de responder. Se Proxima Centauri b se formou onde é sua órbita atual, ele pode ter perdido sua atmosfera durante uma das fases mais ativas de sua estrela hospedeira. Mas aí temos um outro problema. Astrônomos sabem muito pouco sobre a evolução de estrelas anãs vermelhas (Proxima Centauri é uma anã vermelha). Além disso, o planeta pode ter se formado longe de sua órbita atual e migrado para uma órbita mais próxima da estrela. O que nesse caso a atividade da estrela em suas primeiras fases de vida não importaria nesse aspecto.

Como não podemos afirmar se há uma atmosfera nesse planeta, a alternativa é procurar por uma. E isso não parece ser uma tarefa fácil. Apesar de se tratar da estrela mais próxima, com a exceção do Sol, ainda assim são 4.25 anos-luz de distância, longe o bastante para a observação ser um desafio. No entanto, estamos próximos de enviar ao espaço a ferramenta que precisamos (será em 2018): o Telescópio Espacial James Webb.


Desafios Observacionais
(Telescópio Espacial James Webb)

Ter um planeta transitando em frente a sua estrela hospedeira facilita o trabalho da ciência. Para o planeta Proxima b, ainda não se sabe se ele realiza trânsitos, mas há menos de um por cento de chances disso acontecer.

Essa equipe quis encontrar uma alternativa para realizar a observação. Uma alternativa é simplesmente visualizá-lo diretamente. Isso seria extremamente difícil se o planeta estiver perto de sua estrela. Para realizar uma observação dessa, seria necessário, ao menos, um telescópio de 30 metros. Apenas para ilustrar, o James Webb, que está quase pronto, terá um espelho de 6.5 metros, [Rss]. Na próxima geração, telescópios em terra, os chamados “extremamente grandes”, serão capazes de fazer esse tipo de observação, mas isso não acontecerá antes da década de 2020.
Uma outra possibilidade é calcular variações na luz emitida por Proxima Centauri. Se ela muda, é por que há algo passando entre a estrela e o observador. [Um planeta, uma chuva de asteroides, enfim...]



    (Comparação do tamanho dos espelhos primários do James Webb e do Hubble) 

Uma vez que o planeta esteja refletindo parte da luz da estrela em nossa direção, devem ocorrer mudanças na luminosidade da estrela com base na localização do planeta.
Quando Proxima b está se afastando, a luz refletida será deslocada para a extremidade vermelha do espectro, em seguida, para o azul, uma vez que se aproxima de nós. É a espectroscopia de alta resolução em conjunto com imagens de alto contraste que podem revelar o coeficiente de reflexão e o ângulo de inclinação do planeta. Em telescópios atuais, isso levaria cerca de cem horas de observação. [Seria preciso apenas uma única noite para os telescópios da próxima geração, os chamados de “telescópios extremamente grandes”].


O método em que estes pesquisadores estão concentrados presume que Proxima b não rotaciona. A rotação estaria sendo impedida pela gravidade da estrela, que está muito próxima do planeta. Assim, uma face fica permanentemente voltada para o sol. Se o planeta tiver uma atmosfera, seus ventos serviriam para distribuir um pouco do calor para o lado gelado do planeta. Assim, deve ser possível calcular quanto de calor o planeta está irradiando em infravermelho. Conforme o planeta realiza sua órbita, nós vemos mais ou menos desse lado frio, dependendo da orientação.


Dessa forma, se o planeta não tem uma atmosfera, o montante de calor é liberado em nossa direção deve mudar radicalmente durante o curso de sua órbita. Contudo, se ele tem uma atmosfera, o calor seria mais uniformemente distribuído e observaremos uma mudança menos radical na distribuição do calor durante sua órbita. Se fizermos essas observações, em outras palavras, deve ficar bem óbvio que Proxima b tem uma atmosfera.


Simulações e Ressalvas

Os pesquisadores fizeram simulações do que o James Webb poderia observar. Eles concluíram que ele nos dará fortíssimas confirmações sobre existir ou não uma atmosfera em Proxima b.


Eles também consideraram a possibilidade de detectar ozônio na atmosfera do planeta. Se o ozônio estiver presente, ele poderia absorver parte dos comprimentos de onda de luz infravermelha, o que deixaria marcas distintas nas linhas espectrais [através das linhas espectrais é que conseguimos dizer qual a composição de determinado objeto celeste, quer seja a atmosfera de uma estrela ou mesmo de um planeta]. 


(Demonstração da observação das linhas espectrais da luz 
proveniente da estrela, que passa pela possível atmosfera de Proxima b)


Uma hipotética civilização alienígena olhando para a Terra poderia detectar claramente a assinatura do elemento ozônio na atmosfera terrestre através da observação das linhas espectrais, pelo fato de haver uma camada de ozônio em nosso planeta.

Essas conclusões são baseadas em alguns pressupostos: Primeiro, nós não poderemos saber quão preciso será o James Webb até que ele esteja no espaço. Mesmo que soe meio óbvio, eles sugerem que Proxima Centauri seja usado como alvo teste. [Um tipo de “calibração” para o telescópio].

As conclusões das pesquisas também dependem da capacidade em determinar o ângulo de inclinação do planeta, bem como o seu raio e seu tamanho. 
O que acabamos de ver depende em parte de quanta luz infravermelha a superfície do planeta emite. Rochas diferentes emitem quantidades diferentes de infravermelho e os pesquisadores presumem índices altos de emissões.
Independente disso, as observações seriam uma grande ideia. “De qualquer forma, estas observações irão proporcionar um grande avanço na nossa compreensão de planetas rochosos além do Sistema Solar”, os pesquisadores escreveram em seu artigo.


O Veredito

Em geral, a reação de outros pesquisadores foi positiva.
“A Princípio, as observações são possíveis, o que é tentador,” Kevin Stevenson, do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial disse a Ars. (Stevenson não estava envolvido no estudo, mas já trabalhou como autor principal.) “Contudo, os autores tem feito inúmeras suposições que eles reconhecem em relação ao James Webb e seu sistema. “Visto que nós nunca vamos encontrar um exoplaneta potencialmente habitável mais próximo do que Proxima Centauri b, vale a pena tentar."


Sara Seager, do MIT, foi um pouco mais cautelosa. “Parece bom”, ela disse. Embora tenha questionado: “Por que (os autores) não consideraram que se caso a atmosfera não redistribuir o calor em volta do planeta, nós não teremos como saber ao certo se eles estão vendo algo que se parece com uma rocha ou se realmente é uma rocha”.

A autora principal do artigo, Laura Kreidberg, da Universidade de Chicago, não pensou nessa questão: “Eu suponho que seria possível inventar um cenário anormal em que muito pouco calor é transferido (talvez se a atmosfera fosse extremamente tênue). O trabalho de modelagem tem mostrado que para uma ampla gama de composições atmosféricas, a circulação do calor é eficaz”.

Seager também apontou que procurar por sinal de ozônio poderia requerer horas de tempo de observação. Seager perguntou "se seria realmente possível armazenar e reunir tantos dados em tão pouco tempo".

Kreidberg, contudo, sugeriu que seria válido um teste do equipamento: “Mas o tremendo poder de captar luz que o James Webb tem e a estabilidade tanto térmica quanto de mira do telescópio são exatamente o que precisamos para fazer essas observações serem bem-sucedidas. Nós definitivamente desejamos obter observações de teste de Proxima durante a fase de comissionamento antecipado do James Webb para confirmar que o detector funciona no nível de precisão exigido".

Nós vamos querer testar observações em Proxima durante a fase de testes do próprio telescópio para confirmar que o detector trabalha no nível de precisão requerido”.

John Mather, o cientista chefe do projeto do Telescópio Espacial James Webb, também foi otimista. "Acho que o papel em questão é muito bom; os autores sabem o que estão falando sobre o planeta", disse ele. "Nós definitivamente não projetamos o telescópio com este objetivo em mente, considerando que começamos a trabalhar nele há 21 anos. Nós não sabemos se o telescópio tem a estabilidade necessária e sensibilidade até testá-lo. É desnecessário dizer que todos nós gostaríamos de descobrir imediatamente, mas este é um dos alvos mais difíceis, e vai demorar um pouco para aprender a usar o equipamento da melhor maneira possível. Com certeza estou otimista, uma vez que não conheço nada no equipamento que impeça as observações."


Mark Clampin, cientista do projeto do Telescópio Espacial James Webb, da NASA Goddard Space Flight Center, está entusiasmado, mas compartilhou suas preocupações com Mather sobre o assunto do ozônio: "Eu acho que com base apenas neste artigo, a primeira parte da observação, provavelmente as pessoas querem fazer. Eu acho que tentar fazer a observação de ozônio é algo que provavelmente terá de esperar até que compreendamos melhor o funcionamento dos instrumentos".

Mesmo que detectemos ozônio, não será um sinal seguro de vida". Eu acho que se você fizer essa observação obter um resultado positivo, então será outra peça do quebra-cabeça posta no lugar. Acho que os cientistas geralmente querem ver muito mais provas do que apenas uma linha [espectral]. Essas bio-assinaturas geralmente requerem que você veja um número de diferentes linhas [espectrais], diferentes partes da banda".

Ainda assim, Clampin passou a dizer que, se encontrássemos ozônio, seria uma informação essencial de como podemos pensar sobre a próxima geração de equipamentos de observação de exoplanetas.

Nossa conversa com o Dr. Mark Clampin acabou entrando em detalhes do potencial do Telescópio Espacial James Webb. Nós pensamos que mais tempo naquela conversa poderia fornecer uma perspectiva ainda melhor do que vem por aí.

O que se segue é uma versão ligeiramente editada e condensada da conversa que resultou entre Ars e Clampin.
                                                             
                                                                                                        (Mark Clampin)
Ars: Qual sua opinião sobre essa ideia?

Mark Clampin: Eu estava muito animado. Você sabe, esta descoberta tem a força de prender a imaginação de todos, penso eu.


O artigo faz muitas suposições a respeito da natureza do planeta, tentando detectar evidência de uma atmosfera.
Eu identifiquei três aspectos para John Mather. Um deles é saber se é possível afirmar se o planeta é uma rocha nua ou se ele é composto por atmosfera. Isso seria um resultado positivo.

Eles dizem que você deve ser capaz de ver a redistribuição de calor entre os lados do planeta e que seria um resultado muito interessante.. mas também seria muito dependente das suposições que eles fizeram no modelo. Então você nunca terá certeza absoluta, dado que nós sabemos tão pouco sobre o planeta ou que as suposições que nós fizemos são as corretas. Se elas estiverem corretas, será uma observação possível de ser fazer.


De fato, você poderia observar a banda de ozônio de 9.8 mícron. é possível fazer isso, mas não pode deixar de ser dito que seria uma observação extremamente difícil que levaria o James Webb ao seu limite.


Ars: Então é possível, mas você acha que haveria motivação suficiente para procurar por ozônio?

Mark Clampin: A motivação para procurar por ozônio é difícil. Se eu me lembrar, eles estavam dizendo que levariam 60 dias ou mais. É uma observação muito difícil de ser feita, por ter que deixar o telescópio parado em uma posição.
Há o que eu chamaria questões técnicas, por ter a ver com a forma como o telescópio opera.


O James Web orbitará no segundo ponto de LaGrange*; isso somado às limitações impostas pela necessidade de permanecer refrigerado para um perfeito funcionamento, ele poderá ficar focado em um objeto continuamente por no máximo 50 dias ao ano. Então, 60 dias de observação são 60 dias de observação ininterrupta, que estão fora desse escopo e não satisfaz a restrição. O outro problema é que 60 dias é um tempo muito grande comparado a média de observação que as pessoas estão planejando fazer. Então isso exigiria uma justificativa científica para fazer isso.



(L2 - O ponto de Lagrange número 2 é onde o James Webb ficará no espaço)

[*O segundo ponto LaGrange está localizado na parte exterior da órbita terrestre ao longo da reta que une a Terra e o Sol. Neste ponto está instalado desde 2001 o satélite de WMAP e é aqui que a instalação do Telescópio Espacial James Webb será realizada. Assim como o ponto 1, o ponto 2 é instável e é necessário ajustar a escala orbital a cada 23 dias aproximadamente, até se atingir novamente um ponto de equilíbrio.]



(



Ars: Você acha que essa ideia seria suficiente para justificar essa observação?

Mark Clampin: Baseado apenas no artigo, as pessoas provavelmente iriam querer [procurar por atmosfera]. Eu acho que observar ozônio é algo que provavelmente vai ter que esperar até nós entendermos melhor os instrumentos, [digo na prática].


Eu tinha acabado de mencionar que TESS, o Satélite de Pesquisa por Exoplanetas em Trânsito, irá ao espaço no final do próximo ano – acredito que a data para lançamento está marcada para Dezembro. Basicamente, ele fará uma pesquisa por todo o céu, procurando por planetas rochosos transitando suas estrelas hospedeiras. Imagina-se que o TESS deve encontrar muitos objetos interessantes. TESS irá focar nos polos eclípticos, onde você pode continuar realizando observações repetidas com o James Webb sem restrições. 


Há dois lugares no céu onde o James Webb tem o que chamamos de zona de visualização continua. Encontrar alvos na zona de visualização contínua seria a melhor possibilidade para se fazer um estudo muito detalhado a longo prazo.


Ars: Há precedente para esse tipo de estudo – pelo tempo de uso despendido com um grande telescópio?

Mark Clampin: Sim. O Campo Profundo do Hubble é um ótimo exemplo por que precisa de muito planejamento. Não é o tipo de observação que as pessoas esperam fazer com o Hubble. Então, Bob Williams, que era o diretor do Instituto de Ciências do Telescópio Espacial na época, arriscou um pouco em fazer a primeira observação do Campo Profundo do Hubble, porque ninguém concordava sobre como isso seria feito. Enfim, valeu a pena e eles fizeram sucessivas observações com maior tempo de exposição.
Eu penso que pessoas irão querer ter essa experiência, para compreender como fazer essas observações e quais dos muitos modos de espectroscopia devem ser as melhores para serem utilizadas.

Se você vai a loja e compra uma câmera digital, leva um pouco de tempo para se acostumar, aprender como utilizá-la da melhor maneira e quais imagens você quer fotografar. E é o mesmo com astrônomos. Todo programa científico que nós fazemos é cuidadosamente muito bem planejado e voltados para telescópios como o Hubble. Mas leva tempo para descobrir as melhores estratégias para fazer as observações mais difíceis. 
Você quer ter certeza que todas as imagens que fizer com o James Webb terão retorno científico. Então você tem que facilitar seu caminho para os programas mais difíceis. E pra isso, é preciso muita experiência. É isso que as pessoas vão querer fazer aqui.

A primeira parte, que é olhar e ver se há evidência de uma atmosfera ou não, é relativamente fácil. Mas fazer uma observação procurando por ozônio nas linhas espectrais é algo que irá demorar um pouco mais. As pessoas também vão querer ver outros alvos, que seriam mais adequados para esse tipo de observação.

Ars: Dizem que se nós vermos ozônio, isso será um potencial sinal de vida. Quão forte um sinal de vida seria? Digo, se nós olharmos para lá, se fizermos as 60 horas de observação e vermos ozônio, o que deveríamos pensar?


Mark Clampin: Eu acho que se você fizer essa observação e for capaz de coletar resultados positivos, isso se torna uma outra peça encaixada no quebra-cabeças. Eu acho que cientistas geralmente querem ver muitas evidências e não apenas uma. Essas bio-assinaturas geralmente requerem que você veja um numero diferente de linhas, diferentes partes da banda – próximas do infravermelho até a banda do espectro visível. Para afirmar que você encontrou algo assim, é preciso mais linhas do que apenas uma.


Ars: Isso é mais um indicador que “Ei, talvez esse seja um lugar interessante para se procurar evidência”.


Mark Clampin: Exatamente. Certo. Se nós fizermos essa observação, saberemos que a próxima geração de missões que estão em estudo e voltadas a exoplanetas poderão ser capazes de imagear Proxima Centauri b.

Ars: Há algo a mais que você gostaria de acrescentar?


Mark Clampin: Há muitas pessoas imaginando o que o James Web pode fazer e esse artigo é realmente um bom resumo do que nós podemos fazer.
Uma das coisas que eu penso e que é realmente excitante é o numero destas descobertas que irão começar a aparecer. Há algumas semanas o Hubble foi capaz de observar a atmosfera de dois planetas chamados Trappist-1b e Trappist-1c, que são planetas grandes e rochosos. Novas descobertas como essa continuam surgindo enquanto nos preparamos para o lançamento do James Webb, o que deixa a coisa mais emocionante. 


Fonte: http://arstechnica.com/science/2016/09/if-proxima-centauri-b-has-an-atmosphere-james-webb-telescope-could-see-it/1/

[Tradução: @difurlan1]

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