471: ESTAMOS SOZINHOS? O NOVO CAÇADOR DE PLANETAS DA NASA TEM COMO OBJECTIVO DESCOBRIR

O TESS da NASA, visto aqui nesta impressão de artista, vai identificar exoplanetas em órbita das estrelas mais brilhantes e próximas. Isto permitirá com que telescópios terrestres e o futuro Telescópio Espacial James Webb façam observações de acompanhamento a fim de caracterizar as suas atmosferas.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Existem, potencialmente, milhares de planetas para lá do nosso Sistema Solar – vizinhos galácticos que podem ser mundos rochosos ou colecções mais ténues de gás e poeira. Onde estão localizados estes exoplanetas mais próximos? E em quais podemos procurar pistas sobre a sua composição e até mesmo habitabilidade? O TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) será o primeiro a procurar estes mundos próximos.

A nave financiada pela NASA, não muito maior que um frigorífico, transporta quatro câmaras que foram concebidas, projectadas e construídas no MIT (Massachusetts Institute of Technology), com uma visão espantosa: observar as estrelas mais brilhantes e próximas do céu em busca de sinais de planetas.

O TESS vai descolar mais de uma década desde que os cientistas do MIT propuseram a missão. Passará dois anos a examinar quase todo o céu – um campo de visão que pode abranger mais de 20 milhões de estrelas. Os cientistas acreditam que milhares dessas estrelas hospedem planetas em trânsito, que esperam poder detectar através de imagens obtidas com as câmaras do TESS.

Com este tesouro extra-solar, a equipa científica do TESS no MIT tem como objectivo medir as massas de pelo menos 50 planetas pequenos cujos raios são menores que quatro vezes o da Terra. Muitos dos planetas do TESS devem estar próximos o suficiente de nós para que, uma vez identificados, os cientistas utilizem outros telescópios para detectar atmosferas, caracterizar as condições atmosféricas e até mesmo procurar sinais de habitabilidade.

“O TESS é como uma espécie de batedor,” comenta Natalia Guerrero, vice-gerente dos Objectos de Interesse do TESS, um esforço liderado pelo MIT que catalogará objectos capturados nos dados do TESS que podem ser potenciais exoplanetas. “Estamos neste passeio panorâmico de todo o céu e, de certa forma, não temos ideia do que vamos ver,” realça Guerrero. “É como se estivéssemos a fazer um mapa do tesouro: aqui estão todas estas coisas incríveis. Agora, é ir atrás delas.”

Uma “semente”, plantada no espaço

As origens do TESS surgiram de um satélite ainda mais pequeno que foi projectado e construído pelo MIT e lançado para o espaço no dia 9 de Outubro de 2000. O HETE-2 (High Energy Transient Explorer 2) orbitou a Terra durante sete anos, numa missão para detectar e localizar GRBs (gamma-ray bursts, em português explosões de raios-gama) – explosões altamente energéticas que emitem rajadas massivas e fugazes de raios-gama e raios-X.

Para detectar fenómenos tão extremos e de curta duração, os cientistas do MIT, liderados pelo investigador principal George Ricker, integraram no satélite um conjunto de câmaras ópticas e de raios-X equipadas com CCDs (“charge-coupled devices”) desenhadas para registar intensidades e posições de luz em formato electrónico.

“Com o advento das CCDs na década de 1970, aqui tínhamos este dispositivo fantástico… que tornou as coisas muito mais fáceis para os astrónomos,” comenta Joel Villasenor, membro da equipa do HETE-2, que agora também é cientista de instrumentos do TESS. “Basta somar todos os pixeis numa CCD, o que nos dá a intensidade, ou magnitude, da luz. As CCDs realmente abriram um novo mundo para a astronomia.”

Em 2004, Ricker e a equipa do HETE-2 perguntaram-se se as câmaras ópticas do satélite podiam identificar outros objectos no céu que tinham começado a atrair a comunidade científica: exoplanetas. Por volta desta altura apenas conhecíamos menos de 200 planetas para lá do nosso Sistema Solar. Alguns foram encontrados com uma técnica conhecida como método de trânsito, que envolve a procura de quedas periódicas na luz de certas estrelas, o que pode sinalizar um planeta a passar em frente da estrela.

“Pensámos, será que a fotometria das câmaras do HETE-2 era suficiente para que pudéssemos apontar para uma parte do céu e detectar uma dessas quebras? É desnecessário dizer que não funcionou exactamente,” recorda Villasenor. “Mas foi uma espécie de ‘sementinha’ que nos fez pensar, talvez devêssemos tentar voar CCDs com uma câmara para detectar estes objectos.”

Um caminho limpo

Em 2006, Ricker e a sua equipa no MIT propuseram um satélite pequeno e de baixo custo (HETE-S) à NASA como uma missão de classe Discovery, e mais tarde como uma missão financiada pelo sector privado por 20 milhões de dólares. Mas, à medida que o custo e o interesse numa pesquisa exoplanetária em todo o céu aumentava, decidiram então tentar angariar fundos da NASA, até um orçamento de 120 milhões de dólares. Em 2008, submeteram uma proposta para uma missão da classe SMEX (Small Explorer) da NASA com o novo nome – TESS.

Naquela altura, o projecto do satélite incluía seis câmaras CCD e a equipa propôs que a nave voasse numa órbita baixa em torno da Terra, semelhante à do HETE-2. Tal órbita, raciocinaram, deveria manter relativamente alta a eficiência de observação, uma vez que já haviam erigido estações terrestres de recepção de dados para o HETE-2 que também podiam ser usadas para o TESS.

Mas rapidamente perceberam que uma órbita baixa da Terra teria um impacto negativo nas câmaras muito mais sensíveis do TESS. A reacção da nave ao campo magnético da Terra, por exemplo, poderia levar a uma significativa “agitação”, produzindo um ruído que escondia o mergulho revelador de um exoplaneta na luz estelar.

A NASA contornou esta primeira proposta e a equipa voltou à fase de projecção, desta vez emergindo com um novo plano que dependia de uma órbita completamente nova. Com a ajuda de engenheiros da Orbital ATK, da Aerospace Corporations e do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA, a equipa identificou uma órbita “lunar-ressonante” nunca antes usada que mantinha a nave espacial extremamente estável, ao mesmo tempo dando uma visão completa do céu.

Assim que o TESS alcançasse esta órbita, receberia uma assistência gravitacional entre a Terra e a Lua para uma órbita altamente elíptica que poderia manter o TESS na sua órbita durante décadas, guiado pela atracção gravitacional da Lua.

“A Lua e o satélite estariam numa espécie de dança,” realça Villasenor. “A Lua puxa o satélite de um lado, e quando o TESS completar uma órbita, a Lua estará no outro lado, puxando na direcção oposta. O efeito geral é que a atracção da Lua é nivelada, é uma configuração que fica muito estável ao longo de muitos anos. Nunca ninguém fez isto antes e suspeito que outros programas vão tentar usar esta órbita.”

Na sua trajectória actual planeada, o satélite TESS dirige-se em direcção à Lua durante menos de duas semanas, recolhendo dados, e depois em direcção à Terra onde, na sua maior aproximação, transmitirá os dados às estações a quase 110.000 quilómetros da superfície antes de voltar novamente para mais perto do nosso satélite natural. Em última análise, esta órbita fará com que o TESS conserve uma quantidade enorme de combustível, pois não precisará de activar regularmente os seus propulsores para o manter no seu percurso.

Com esta nova órbita, a equipa do TESS submeteu em 2010 uma segunda proposta, desta vez como uma missão da classe Explorer, que a NASA aprovou em 2013. Foi mais ou menos nesta altura que o Telescópio Espacial Kepler terminou o seu levantamento original em busca de exoplanetas. O observatório, lançado em 2009, observou uma área específica do céu durante quatro anos, com o objectivo de monitorizar a luz de estrelas distantes em busca de sinais de planetas em trânsito.

Em 2013, duas das quatro rodas de reacção do Kepler desgastaram-se, impedindo com que o satélite continuasse a sua investigação original. Neste ponto, as medições do telescópio haviam permitido a descoberta de quase 1000 exoplanetas confirmados. O Kepler, projectado para estudar estrelas distantes, abriu caminho para a missão TESS, com uma visão muito mais ampla de estudar as estrelas mais próximas da Terra.

“O Kepler foi para o espaço e foi um enorme sucesso, e os investigadores comentaram, ‘nós podemos fazer este tipo de ciência, existem planetas em todo o lado,” afirmou Jennifer Burt, da equipa TESS e pós-doutorada do MIT-Kavli. “E eu acho que foi este o marco científico que a NASA precisava para dizer: ‘OK, o TESS faz muito sentido agora.’ Permitirá não apenas detectar planetas, mas também encontrar planetas que podemos caracterizar detalhadamente.”

Listras no céu

Com a selecção da NASA, a equipa do TESS construiu instalações no Campus e no Laboratório Lincoln do MIT para produzir e testar as câmaras do satélite. Os engenheiros projectaram CCDs de “depleção profunda” especificamente para o TESS, o que significa que as câmaras podem detectar a luz ao longo de uma ampla gama de comprimentos de onda até ao infravermelho próximo. Isto é importante, já que muitas das estrelas próximas que o TESS vai monitorizar são anãs vermelhas – estrelas pequenas e frias que emitem menos intensamente que o Sol e na parte infravermelha do espectro electromagnético.

Se os cientistas detectarem quedas periódicas na luz de tais estrelas, isso poderá sinalizar a presença de planetas com órbitas significativamente mais pequenas do que a da Terra. No entanto, há hipótese de que alguns desses planetas estejam dentro da “zona habitável”, pois circundariam estrelas muito mais frias, em comparação com o Sol. Dado que estas estrelas estão relativamente próximas, os cientistas podem fazer observações de acompanhamento com telescópios terrestres para ajudar a identificar se as condições podem ser realmente adequadas à vida.

As câmaras do TESS estão montadas na parte superior do satélite e rodeadas por um cone que as protegerá de outras formas de radiação electromagnética. Cada câmara tem uma visão de 24º x 24º do céu, grande o suficiente para abranger a constelação de Orionte. O satélite vai começar as suas observações no hemisfério sul e dividirá o céu em 13 faixas ou listras, monitorizando cada segmento durante 27 dias antes de girar para o próximo. O TESS deverá ser capaz de observar quase todo o céu do hemisfério sul no seu primeiro ano, antes de passar para o hemisfério norte no seu segundo ano.

Enquanto o TESS aponta para uma faixa do céu, as suas câmaras obtêm imagens das estrelas nessa área. Ricker e colegas criaram uma lista de 200.000 estrelas brilhantes e próximas que gostariam particularmente de observar. As câmaras do satélite vão criar imagens de “selo postal” que incluem pixeis em torno de cada uma dessas estrelas. Essas imagens serão obtidas a cada dois minutos, a fim de maximizar as hipóteses de capturar o momento em que um planeta transita a sua estrela. As câmaras também tiram fotos de todas as estrelas da faixa específica do céu a cada 30 minutos.

“Com as imagens dos dois minutos, podemos obter uma espécie de filme do que a luz estelar está a fazer quando o planeta transita,” diz Guerrero. “Com as imagens dos 30 minutos, as pessoas anseiam talvez ver supernovas, asteróides ou contrapartes de ondas gravitacionais. Não temos ideia do que vamos ver nessa escala de tempo.”

Estamos sozinhos?

A equipa espera que o TESS estabeleça contacto na primeira semana, durante a qual irá ligar todos os seus instrumentos e câmaras. Em seguida, haverá uma fase de comissionamento de 60 dias, durante a qual os cientistas da Orbital ATK, da NASA e do MIT vão calibrar os instrumentos e monitorizar a trajectória e performance do satélite. Depois, o TESS começará a recolher e a transmitir imagens do céu. Os cientistas do MIT e da NASA vão pegar nos dados brutos e convertê-los para curvas de luz que indicam a mudança de brilho de uma estrela ao longo do tempo.

A partir daí, a Equipa Científica do TESS, incluindo Sara Seager, vice-directora de ciência do TESS, examinará milhares de curvas de luz em busca de pelo menos duas quedas similares na luz estelar, indicando que um planeta pode ter passado duas vezes em frente da sua estrela. Seager e colegas empregarão um conjunto de métodos para determinar a massa do potencial planeta.

“A massa é uma característica planetária definidora,” comenta Seager. “Se soubermos apenas que um planeta tem o dobro do tamanho da Terra, pode ser muitas coisas: um mundo rochoso com uma atmosfera fina, ou o que chamamos de ‘mini-Neptuno’ – um mundo rochoso com um invólucro gigante de gás, que teria um enorme efeito de estufa, sem vida à superfície. De modo que a massa e o tamanho, juntos, dão-nos uma densidade média, o que nos diz muito sobre o tipo de planeta.”

Durante a missão de dois anos do TESS, Seager e colegas visam medir as massas de 50 planetas com raios inferiores a quatro vezes o da Terra – dimensões que podem sinalizar mais observações em busca de sinais de habitabilidade. Entretanto, toda a comunidade científica e o público terão a chance de pesquisar através dos dados do TESS em busca dos seus próprios exoplanetas. Depois de calibrados, serão disponibilizados ao público. Qualquer pessoa poderá fazer o download dos dados e chegar às suas próprias conclusões, incluindo estudantes do ensino secundário, astrónomos amadores e cientistas de outras instituições.

Com tantos olhos a estudar os dados do TESS, Seager diz que há hipótese de que, um dia, se possa vir a descobrir que um planeta próximo encontrado pelo TESS tenha sinais de vida.

“Não há ciência que nos diga, agora, que existe vida lá fora, excepto que os planetas pequenos e rochosos parecem ser incrivelmente comuns,” comenta Seager. “Parecem estar em todos os lugares que observamos. De modo que pode existir vida algures por aí.”

Astronomia On-line
17 de Abril de 2018

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